TRO-pico : Instruments

Pico-SDLA H2O, CO2 et CH4

Avec le support technique de la division technique de l’INSU à Meudon, sous la direction scientifique du GSMA (P.I. G. Durry, maitrise d’œuvre N. Amarouche DT-INSU) de nouvelles versions légères de spectromètres laser infrarouges ont été développées. il existe trois versions différentes de l’instrument pico-SDLA, chacune mesurant une espèce : H2O, CH4 ou CO2. Les trois instruments sont basés sur le même principe, et constituent une version légère des anciens spectromètres IR à diode laser accordable SDLA et micro-SDLA. Il s’agit de spectromètre laser IR utilisant des parcours d’absorption de l’ordre du mètre. Le faisceau se propage sur une longueur d’un mètre pour pico-SDLA H2O, 50 cm pour pico-SDLA CO2, et est absorbé in situ par les molécules de vapeur d’eau ou de CO2. Les nouvelles technologies permettent en effet la création de diodes laser émettant dans la région de 2,6 µm (2,63 µm pour H2O, 2,68 µm pour CO2) pour laquelle les raies de H2O et CO2 sont assez intenses, limitant ainsi le parcours optique nécessaire pour une mesure précise. La concentration est alors déduite de la loi de Beer-Lambert et d’un modèle moléculaire. En configuration TRO-pico avec mécanique renforcée et batteries, le poids de l’instrument était de 8 kg pour les versions H2O et CO2.
Pico-SDLA CH4 utilise une source de longueur d’onde 3,24 µm. En 2012, il n’existait pas de diode laser permettant d’émettre à cette longueur d’onde, et la technologie DFG (difference frequency generation, utilisant deux lasers différents à 1 µm et 1.5 µm dont les faisceaux sont conduits vers un cristal non-linéaire, avec en sortie, une longueur d’onde du faisceau à 3.24 µm) était utiliser pour l’atteindre. Un parcours optique de 4 m était utilisé, via une cellule optique de 2m de long et une simple réflexion du faisceau. En 2013, les diodes laser émettant à 3,24 µm étaient disponibles et ont été utilisées pour s’affranchir de la technologie DFG et sa partie électronique plus lourde. La nouvelle version de pico SDLA CH4 utilise un parcours optique de 3 m et pèse 10 kg alors que la version DFG pesait 15 kg.
Pour l’ensemble des sondes pico-SDLA, l’erreur instrumentale dans l’UTLS est de l’ordre de 5 % et la résolution temporelle de 20 ms par spectre, soit de 800 ms en moyennant 40 spectres.

FLASH-B

L’hygromètre FLASH-B (FLuorescence Advanced Stratospheric Hygrometer for Balloon) est un hygromètre Lyman-alpha de petite taille et de poids léger ~2kg dans sa version ayant volé pendant TrO-pico, et développé au Central Aerological Observatory de Moscou pour la mesure de vapeur d’eau dans l’UTLS. L’instrument est basé sur la méthode de fluorescence qui utilise la photodissociation de la molécule de vapeur d’eau à une longueur d’onde inférieur à 137 nm (ici 121,6nm), suivie par la mesure de la fluorescence des radicaux OH excités. La source lyman-alpha est une lampe à décharge d’hydrogène, alors que le détecteur de radicaux OH à 308-3016 nm est un photomultiplicateur Hamamatsu utilisé en mode compteur de photon avec un filtre à bande étroite pour la sélection de la bande spectrale de fluorescence. L’intensité de la fluorescence est alors directement proportionnelle au rapport de mélange de vapeur d’eau dans les conditions stratosphérique (150-10 hPa) avec de faibles absorptions de l’oxygène (3% à 50 hPa). La mesure se limite à des pressions supérieures à 300 hPa à cause de la forte absorption lyman alpha dans la basse troposphère. Les mesures sont uniquement réalisées de nuit. Avec sa masse légèrement inférieure à 2 kg dans sa dernière version, FLASH-B a pu voler sous des ballons sonde de 1,2 kg.

COBALD

COBALD est une sonde à rétrodiffusion légère développé à l'ETH de Zurich en tant que successeur de la sonde à rétrodiffusion du Wyoming de Rosen et Kjome (1991). Avec un poids total d'environ 550 g avec les piles, l'appareil peut être utilisé sur sous des ballons météo. COBALD mesure la rétrodiffusion des molécules, des aérosols et des particules de nuages dans l'atmosphère du sol jusqu’à l’altitude d’éclatement du ballon. Deux LED avec 250 mW de puissance optique chacune émettent de la lumière à des longueurs d'onde de 455 et 870 nm. Pour enregistrer la lumière rétrodiffusée, une photodiode est placée entre les deux LED et l'optique associée établit une zone de recouvrement à des distances de plus de 0,5 m à l'avant de l'instrument. L'instrument est conçu pour les applications au cours de la nuit car rayonnement solaire sature le détecteur. La rétrodiffusion par les molécules et les aérosols contribuent au signal mesuré, dont la contribution respective est obtenue suivant Rosen et Kjome (1991). La concentration moléculaire est déterminée à partir de la température et de la pression enregistrée simultanément par la radiosonde embarquée. Avec certaines des hypothèses de conservation concernant la concentration en aérosol dans les régions d'air clair, la normalisation du signal de rétrodiffusion permet d’obtenir le rapport de rétrodiffusion (BSR) défini comme le rapport du total - aérosol et moléculaire - sur le signal moléculaire . De manière analogue à la BSR, le rapport de rétrodiffusion des aérosols est ABSR = BSR - 1 . Les deux longueurs d'onde différentes permettent de définir l'indice de couleur (CI) comme le rapport entre l’ ABSR à 870 nm et l’ABSR à 455 nm. Des Informations sur la taille des particules peuvent être obtenues à partir de l’indice de couleur si certaines hypothèses sont faites sur la répartition en taille des particules, leur forme et l'indice de réfraction.

Mini-SAOZ

Le spectromètre UV-visible sous ballon SAOZ (Système d'Analyse par Observations Zénithales), développé par le Service d'Aéronomie dans les années 90 a volé depuis plus de 125 fois pour des vols courte durée ainsi que 15 fois pour des vols longue durée sous montgolfière infra –rouge, dans le monde entier pour étudier l'ozone stratosphérique, NO2, OClO, BrO, H2O et aérosols à toutes les latitudes.
Le mini-SAOZ est une version plus légère/petite (moins de 12 kg) de SAOZ, développé en 2009 sur la base de technologies plus avancées, permettant des vols plus souples et relativement bon marché sous petits ballons. Les mesures effectuées au cours de l'ascension du ballon et par occultation solaire au plafond (à environ 30 km) au coucher ou au lever du soleil. L'instrument est un petit spectromètre Czerny-Turner de 716 g, de 75 mm de focale et 0,8 résolution spectrale nm dans la gamme 300-800 nm. Le capteur est un détecteur CCD 2048 × 14 pixels reliée par fibre optique à une tête optique de 5 ° / 45 ° d'élévation et d'azimut de 360 ° du champ de vue sur la partie supérieure de l’instrument. L’utilisation de petits ballons ouverts en polyéthylène (500 à1500 m3), facile à lancer, permet des vols flexibles du mini-SAOZ à proximité des orages tropicaux.
La procédure d’inversion de données est la méthode DOAS (Differential spectroscopie d'absorption optique) appliquée au rapport entre chaque spectre et le spectre de référence mesuré immédiatement après avoir atteint le plafond à environ 30 km d’ altitude pour le plus petit angle zénithal possible afin de minimiser l'absorption résiduelle le long de la ligne de visée. Après l'alignement des longueurs d'onde sur les raies solaires de Fraunhofer, les colonnes intégrées de chaque espèce sont issues d’ajustement par moindre carré avec les sections efficaces d’absorption de laboratoire via un processus itératif d’où les profils verticaux des différentes espèces sont obtenus, grâce à la méthode de pelure d’oignon.