Dans le cadre du réchauffement climatique en cours, il est fondamental de comprendre les échanges surface-atmosphère du CO2 atmosphérique (IPCC 2014). L’étude de l’hétérogénéité spatiale et temporelle de ces échanges est nécessaire pour passer de la petite échelle (observation in situ) à la moyenne échelle (maille d’un modèle surface/atmosphère) et avoir une meilleure précision sur les prévisions climatiques. L’observation in situ des échanges de CO2 en milieu complexe (zone à forte orographie, zone urbaine, zone partiellement inondée, zone volcanique) est compliquée voire impossible et nécessite une capacité d’observation à distance.
Par ailleurs, suite à la COP21 et aux accords de Paris, il est demandé à chaque pays de quantifier ses propres émissions de CO2 d’origine anthropique. Avec cette demande se pose la question de la fiabilité des inventaires des émissions. L’incertitude augmente en effet avec la résolution spatio-temporelle et peut être significative pour les pays en voie de développement.
Le LIDAR permet d’effectuer des cartographies de la densité de CO2 au-dessus de zones clés et de répondre ainsi aux problématiques ci-dessus. La quantification des sources et des puits de CO2 demande une précision et une exactitude exceptionnelles pour un instrument de télédétection (< 1 %). Cependant grâce aux développements technologiques effectués (source laser et détecteur), ce type de mesure va être accessible dans les prochaines années avec une haute résolution spatio-temporelle (100 m – 1 s) et sur une longue distance (1-10 km).
Figure 1 Principaux objectifs géophysiques de recherche sur le CO2 atmosphérique et possibilités de mesure lidar sol, aéroporté et spatial
Des premiers tests du LIDAR COWI (CO2 & Wind) en configuration de tir horizontal ont été réalisés en juillet 2013 à Palaiseau, France. Le LIDAR délivre une cartographie 2-D (distance-temps) du cycle diurne du CO2 et de la vitesse radiale du vent au-dessus du campus de l’Ecole Polytechnique. Le rapport de mélange en air sec de CO2 est estimé à partir des mesures LIDAR et de données additionnelles de spectroscopie et météorologie. Les mesures sont comparées avec des mesures in situ simultanées (instrument PICARRO).
Les mesures montrent la variation du CO2 dans la couche de surface en zone péri-urbaine (proche des sources d’émissions anthropiques) lors d’un cycle diurne avec quelques signaux caractéristiques: advection d’un panache de CO2 en provenance de la centrale thermique sur le campus (1 h), émissions dues au trafic routier du matin (6 h), saut de concentration corrélé avec un brusque changement du vent lié au passage d’un orage sur le site (12 h) [Gibert et al. 2015]
Figure 2 Etude de la variabilité du CO2 atmosphérique dans la couche de surface, au-dessus du campus de l’Ecole Polytechnique
(a) Profils horizontaux du rapport de mélange du CO2 atmosphérique. Comparaison avec des mesures in situ effectuées au laboratoire (b) Vitesse radiale du vent