Instruments

Depuis plusieurs années, une des activités de recherche du LaMP au sein de l'IUT d'Allier a permis de construire 2 appareils appelés néphélomètres. Ces appareils mesurent l’énergie diffusée dans l’espace par les particules en suspension dans l'air (aérosols) et éclairées par un faisceau laser. Ce type de mesures permet de déduire la granulométrie, c'est à dire le nombre en fonction de la taille des particules contenues dans l’air (ou éventuellement dans l'eau).

Les 2 appareils sont :
- néphélomètre polaire à double polarisation
- néphélomètre polaire aéroporté

Néphélomètre polaire à double polarisation

Ce dispositif est un instrument de laboratoire qui mesure la lumière diffusée selon deux directions de polarisation. Il a permis de collecter de nouvelles données très intéressantes sur différents aérosols, liquide ou poudre en suspension dans l'air.

L’air que nous respirons, l’atmosphère autour de la Terre, contiennent des constituants variés : gaz, particules ou aérosols (solides ou liquides). L’origine des aérosols est multiple, soit naturelle (poussières sahéliennes, aérosols marins, grains de pollens, …), soit artificielle ou anthropique (produits industriels, résidus de combustion,…). Leur rôle et leurs conséquences sont également variés : effet sur le niveau de pollution et par conséquent sur la santé, effets climatiques directs (rôle sur le rayonnement) ou indirects (relations avec la formation des nuages). Pour le climat, les aérosols constituent un élément aussi mal connu et important que les gaz à effet serre.

L’observation et la surveillance des aérosols mettent en jeu les observations par satellites et des observations depuis le sol (réseau mondial AERONET dont 17 stations sont en France, une à Clermont-Ferrand). Les méthodes utilisées reposent schématiquement sur l’atténuation du rayonnement solaire par les aérosols mais les propriétés optiques très variées (en raison de leur nature, leur taille et leur forme) constituent une limitation sévère.

Les mesures réalisées avec l’appareil développé à Montluçon sur plusieurs types de particules (eau, suie de réacteur, pollen …) montrent des « signatures » très différentes selon le type de ces particules, particulièrement en « rétro-diffusion ». Ces résultats, présentés lors de plusieurs colloques et de thèses, ont mis en évidence les possibilités très prometteuses de cette démarche originale.

Historique

Suite à la construction du néphélomètre aéroporté, un néphélomètre de laboratoire, fut réalisé en 1997. Toute la partie mécanique a été réalisée à Montluçon. Le DAO et la CAO ont été fait sous Euclid au département GMP (Génie Mécanique et Productique) de l’IUT d'Allier. La fabrication avait été faite grâce à la collaboration de l’ASFOPEMA (aujourd’hui ASPI Nord Auvergne). Les travaux menés sur ce deuxième appareil ont fait l’objet d’une thèse réalisée et soutenue à l’IUT (J.M. ANDRE 2000), d’un mémoire de CNAM et d'une thèse (D. DAUGERON 2001) et d’un stage (2004) d’école d’Ingénieur (ENSPS Ecole Nationale Supérieure de Physique de Strasbourg - N. DUCROS).

Description

La particularité du néphélomètre de laboratoire est que la résolution angulaire, c'est à dire l'écart angulaire minimal entre deux mesures, est de 1 degré entre 10 et 169°. La mesure de la diffusion est directe, c’est dire qu’aucun dispositif optique de renvoi comme des miroirs ou autres n’est utilisé. Nous pouvons ainsi observer simultanément la polarisation de la lumière diffusée suivant deux plans, l’un parallèle au plan de diffusion, l’autre perpendiculaire.

La mesure pour chaque angle est instantanée et, par conséquent, le résultat n’est pas l’intégration sur plusieurs angles d’observation ou sur le temps.

L'appareil est capable de mesurer des puissances optiques de l’ordre de quelques dizaines de picowatts.

Le principe de fonctionnement est le suivant : les particules à étudier sont éclairées à l'aide d'une source laser. L'intersection des particules avec le faisceau laser produit une lumière diffuse au niveau du volume d'échantillonnage (figure ci-dessous). La puissance de la lumière diffusée est mesurée en fonction de l'angle par rapport au laser avec deux capteurs optoélectroniques tournant autour du volume d’échantillonnage (V = 0,67 cm3). Le parcours entre 10 et 169° se fait en 7,6 s. La polarisation de la lumière diffusée est mesurée simultanément à l’aide de ces deux capteurs, suivant une direction de polarisation parallèle et perpendiculaire au plan d’observation de la diffusion.

 

schéma de principe du néphélomètre de laboratoire avec 2 capteurs



Avec :
    DL diamètre du faisceau laser incident (10 mm).
    P puissance du faisceau laser incident (1,1 W) d'une longueur d’onde du faisceau laser incident (802 nm).
    θ angle d’observation par rapport au faisceau laser incident.
    DC diamètre du capteur (0,5 mm).
    L distance entre le capteur et le volume de diffusion (150 mm).

L’élément actif de chaque capteur optoélectronique a un angle solide de détection de l’ordre de 100°, donc assez large. Pour observer la diffusion provenant uniquement du volume d'échantillonnage, chaque capteur est muni d’un canon. Celui-ci est constitué d’un assemblage de plusieurs pièces mécaniques afin de limiter le champ de vision du capteur.

Des photos du néphélomètre peuvent être vues en cliquant ici .

Néphélomètre polaire aéroporté

Ce néphélomètre a été construit en 1996. Cet appareil est une sonde que l’on monte sur des avions de recherche. Toute la partie mécanique et thermique a été réalisée à Montluçon. Le DAO et la CAO ont été fait sous Euclid et Catia au département GMP (Génie Mécanique et Productique) de l’IUT d'Allier. Le Département GTE (Génie Thermique et Energie) a effectué l’étude du dégivrage de cette sonde. La fabrication avait été faite grâce à la collaboration de l’ASFOPEMA (aujourd’hui ASPI Nord Auvergne).

Depuis 1996, de nombreuses campagnes de mesures internationales (plus de 15) ont été effectuées avec cette sonde. Le but de ces campagnes était d'étudier les effluents d'avion et les traînées de condensation associées, d'étudier les nuages hauts glacés de type Cirrus au Sud du Chili (pas de pollution urbaine) et de comparer avec ceux étudiés en Ecosse (air « pollué » en raison des émissions industrielles dans l’hémisphère nord), d'étudier les nuages de glace soulevée par les vents en Antarctique …

Actuellement, un deuxième néphélomètre aéroporté est en cours de contruction, avec les mêmes collaborations.

Pour de plus amples informations, vous pouvez vous rendre sur la page du nephélomètre polaire aéroporté sur le site du LaMP.