Détecter les gaz atmosphériques à distance et en continu

Des chercheurs et ingénieurs du laboratoire GeoRessources (GeoRessources/OTELo, CNRS / Université de Lorraine / Centre de recherche CREGU) ont mis au point un dispositif 3D de mesure à distance (télédétection) depuis le sol des gaz atmosphériques qui émettent dans l’infrarouge.

Très mobile et utilisable en zone urbaine, il permet d’identifier des panaches troposphériques de tels gaz, de les localiser avec précision et de suivre leur extension spatiale au cours du temps. Le développement d’un système clé en main de surveillance en zone urbaine de ce type de pollution est envisagé.

Ces dernières années, pour mesurer les pollutions atmosphériques, la technologie favorisait la télédétection par satellites, avions ou drones, des outils coûteux, ne permettant pas d’aller partout et embarquant des détecteurs souvent de type mono-gaz (LIDAR). Lorsque l’échelle devient locale (10 x 10 x 10 km), que la résolution demandée est de l’ordre du mètre, que la surveillance doit être continue quelles que soient la topographie et les conditions météorologiques et que les coûts doivent être raisonnables, alors la télédétection depuis le sol (sol-air) apparaît comme la voie la plus prometteuse et devient un véritable enjeu pour la surveillance environnementale.

Les chercheurs de GeoRessources se sont intéressés au challenge scientifique que constitue le fait d’être capable, à distance, de déterminer la composition chimique et d’apprécier l’extension spatiale d’un nuage atmosphérique ou d’un panache de fumée.

Système SIGIS de chez Bruker, dispositif infrarouge sol-air mobile du laboratoire GeoRessources
(vues réelle à gauche et schématique à droite).

Convaincus par le potentiel de la technique de télédétection d’émission infrarouge, ils ont choisi d’utiliser un mini télescope d’une portée de plus de 10 km pour balayer pas à pas la zone à analyser, avec un angle de mesure de l’émission infrarouge du nuage de 10 milliradian, soit une résolution de 10 m à une distance de 1000 m.

Souhaitant en outre obtenir une localisation exacte de l’enveloppe de pollution, ils ont mis au point un système de mesure 3D imposant de disposer d’une mesure stéréoscopique, c’est-à-dire idéalement de 3 mesures synchrones à 3 endroits différents.

Toutes les données géo-référencées obtenues ont été numérisées et interpolées à l’aide du modeleur volumique gOcad® afin de reconstruire, à chaque instant, l’enveloppe géométrique 3D vectorisée du panache gazeux et de ses constituants.

Localisation et reconstruction spatiale des émissions de SO2 dans la zone urbanisée de Nancy, réalisées à partir de trois visées par mini télescope infrarouge (ronds jaunes).

La surveillance atmosphérique de la zone urbanisée de Nancy a ainsi permis de mettre en évidence l’existence d’un nuage de polluant gazeux (SO₂) localisé en centre-ville, dont ils ont pu déterminer le volume (65 106 m³) et les dimensions (L x l x h : 915 x 735 x 165 m). La présence d’un nombre important d’engins de chantier due à une forte activité de rénovation urbaine, ainsi que l’exhumation d’anciennes citernes à hydrocarbures sont vraisemblablement à l’origine de cette pollution ponctuelle.

Ces travaux montrent qu’en associant système de mesure stéréoscopique et reconstruction numérique, il est possible d’identifier, de localiser précisément et de suivre en continu l’extension de panaches gazeux troposphériques, à condition que les gaz qui le constituent émettent dans l’infrarouge moyen. Et que pour ce faire, il suffit de déployer au sol des appareils de télédétection infrarouge ce qui présente des avantages considérables en termes de coût.

Ces systèmes qui préfigurent les outils de surveillance de demain présentent déjà des champs d’application extrêmement vastes, couvrant à la fois :

– le domaine civil avec la surveillance de tout site potentiellement émissif : sites industriels, centres de stockage de déchets et de gaz, plateformes pétrochimiques, zones urbanisées, écosystèmes naturels, fumerolles et volcans ;

– le domaine militaire avec principalement l’étude de la trace gazeuse des propulseurs de missiles et la détection des explosifs.

Un prototype pour un système de surveillance clé en main applicable en zone urbaine est envisagé à court terme.

Source(s) : de Donato, Ph., Barres, O., Sausse, J., Taquet, N., 2016. Advances in 3-D infrared remote sensing gas monitoring. Application to an urban atmospheric environment. Remote Sensing of Environment 175 , 301-309. dx.doi.org/10.1016/j.rse.2015.12.045

Source : INSU/CNRS