Développement d’un lidar à absorption différentielle pour la mesure atmosphérique de la vapeur d’eau et son isotope HDO

Development of a differential absorption lidar for remote sensing of water vapor and the isotopologue HDO

• Auteur / Autrice : Jonas Hamperl
• Direction : Cyrille Flamant
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences du climat, de l'atmosphère et des océans, terrestres et planétaire
• Date : Soutenance le 14/12/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Atmosphères, observations spatiales (Guyancourt, Yvelines ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : François Ravetta
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Caroline Bès, Jean-Baptiste Dherbecourt
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Rairoux, Patricia Segonds

Mots clés

Mots clés contrôlés

Circulation atmosphérique

Lidar

Isotopes stables

Mesure

Vapeur d'eau atmosphérique

Mots clés libres

Détection à distance

Lidar

Vapeur d'eau

Isotopes stables de la vapeur d'eau

Remote sensing

Lidar

Water vapor

Stable water isotopes

Résumé

Les observations des isotopologues stables de l'eau dans l'atmosphère fournissent des informations précieuses sur l'histoire de la condensation et de l'évaporation de la vapeur d'eau. La fourniture de telles données avec haute résolution verticale dans la basse troposphère (0-3 km) contribue à améliorer notre compréhension des processus de base tels que la formation de nuages, la convection humide et le mélange, et offre la possibilité d'augmenter la précision des prévisions faites par les modèles de circulation générale de l'atmosphère. Malgré les progrès de la télédétection depuis le sol et depuis l'espace, les produits d'inversion à partir de capteurs passifs sont sujettes à des biais et manquent de la résolution verticale requise pour les études du cycle de l'eau dans la basse troposphère. L'objectif de cette thèse est d'étudier une approche de télédétection active basée sur la méthode DIAL (differential absorption lidar) pour mesurer à la fois l'isotopologue principal de la vapeur d'eau H2(16)O et l'isotopologue semi-lourd de l'eau HD(16)O avec une résolution verticale et temporelle élevée (100-200 m, 10 min). Les performances attendues d'un tel instrument en termes d'erreurs aléatoires et systématiques ont été analysées en premier lieu à l'aide de simulations prenant en compte les paramètres instrumentaux et atmosphériques. L'analyse théorique a montré que la plage spectrale autour de 1,98 μm est appropriée pour la mesure DIAL de H2(16)O et HD(16)O et que ces mesures nécessitent un laser accordable dans cette plage de longueurs d'onde avec des énergies d'impulsion de dizaines de mJ. Pour répondre à cette exigence, une source laser paramétrique basée sur un oscillateur paramétrique optique à cavités imbriquées et un étage d'amplification paramétrique optique utilisant des cristaux de phosphate de titanyl de potassium périodiquement polarisés (PPKTP) de haute ouverture (5×7 mm^2) a été mise en place. Cette source émit une radiation monofréquence largement accordable (1,95-2,30 μm) avec des énergies allant jusqu'à 9 mJ pour des impulsions de 12 ns à une fréquence de répétition de 150 Hz. En utilisant la source laser développée, des mesures DIAL de H2(16)O et HD(16)O dans la couche limite atmosphérique ont été réalisées en mode de détection directe dans le cadre de plusieurs campagnes de mesure. Il a été montré qu'avec la configuration de lidar développée, les mesures des isotopologues avec une précision significative sont limitées aux premières centaines de mètres au-dessus du sol. Pour réaliser des mesures avec des résolutions et précisions adaptées aux études du cycle de l'eau dans toute la couche limite, des améliorations instrumentales supplémentaires en termes d'énergie laser et de réduction du bruit de détection sont nécessaires. Dans ce but, une étape supplémentaire est proposée pour la conception et la préparation d'une architecture lidar capable d'atteindre une sensibilité plus élevée grâce à un schéma d'amplification à double étage optimisé, ce qui devrait permettre d'atteindre des énergies de sortie supérieures à 40 mJ.

Observations of stable water isotopologues in the atmosphere provide valuable insights into the condensation and evaporation history of water vapor. The provision of such data with sufficient vertical resolution in the lower troposphere (0–3 km) helps to improve our understanding of basic processes like cloud formation, moist convection and mixing, and offers the potential to increase the accuracy in the predictions made by atmospheric general circulation models. Despite the progress in remote sensing from the ground and from space, retrievals from passive sensors are prone to biases and lack the vertical resolution required for water cycle studies in the lower troposphere. The aim of this thesis is to investigate an active remote sensing approach based on the differential absorption lidar (DIAL) method to measure both the water vapor main isotopologue H2(16)O and the semiheavy water isotopologue HD(16)O with high vertical and temporal resolution (100–200 m, 10 min). The expected performance of such an instrument in terms of random and systematic errors was first analyzed using simulations accounting for instrumental and atmospheric parameters. The theoretical analysis showed that the spectral range around 1.98 μm is suitable for DIAL profiling of H2(16)O and HD(16)O and that range-resolved measurements require a tunable laser in that wavelength range with pulse energies of tens of mJ. To fulfill this requirement, a parametric laser source based on a nested-cavity optical parametric oscillator and an optical parametric amplification stage using state-of-the-art high-aperture (5×7 mm^2) periodically poled potassium titanyl phosphate (PPKTP) crystals was implemented. It delivers widely tunable (1.95–2.30 μm) single-frequency radiation with energies up to 9 mJ for 12 ns pulses at a repetition rate of 150 Hz. Using the developed laser source, DIAL measurements of H2(16)O and HD(16)O in the atmospheric boundary layer were conducted in direct-detection mode in the frame of several measurement campaigns. It was shown that with the developed lidar setup, isotopologue measurements with meaningful precision are limited to the first few hundred meters above the ground. To achieve measurements with range resolution and precision suitable for water cycle studies within the entire boundary layer, further instrumental improvements in terms of laser energy and reduced detection noise are necessary. For this purpose, a further step is proposed for the design and pre-development of a lidar setup capable of achieving a higher sensitivity thanks to an optimized double-stage amplification scheme for the laser transmitter that should allow to reach output energies >40 mJ.