Literatura académica sobre el tema "Vapeur d'eau – Mesure"

RésuméDans le cadre de l'étude de l'interaction eau-kaolinite, des mesures de conductivité (pertes diélectriques) et de permittivités réelles ont été entreprises à fréquence variable (103–107 Hz) et en fonction de la température (27–80°C). La conductivité croît avec la fréquence et la température de mesures. L'utilisation d'un modèle de conduction par déplacement de protons par sauts discrets entre sites localisés est applicable. La loi σ′(ω) ∼ Aωs est vérifiée. L'évolution du paramètre s en fonction de la pression de vapeur d'eau permet de déterminer le mécanisme d'établissement de la monocouche d'eau sur le solide. La permittivité réelle décroît avec la fréquence. C'est une fonction croissante de la pression de vapeur d'eau. Un calcul simple permet de retrouver la loi expérimentale relative à la permittivité ɛ′ ∼ exp(K√P).

Ce travail presente l'etude theorique et la realisation du lidar aeroporte leandre ii pour la mesure de la vapeur d'eau a haute resolution spatiale et temporelle. Les objectifs de mesure concernent l'etude a meso-echelle de la distribution de la vapeur d'eau dans la basse troposphere. La realisation du systeme doit optimiser la mesure en prenant en compte la variabilite de la vapeur d'eau et les sources d'erreur liees aux systemes d'emission (laser) et de detection. L'etude detaillee du principe de la mesure lidar par absorption differentielle (dial) et des proprietes spectroscopiques des raies d'absorption et l'analyse des erreurs systematiques et statistiques sont developpees pour determiner les contraintes instrumentales. Quatre raies d'absorption sont selectionnees pour effectuer les mesures dans le domaine spectral de 730 nm impose par le choix du laser alexandrite. Une modelisation numerique de la mesure incluant les parametres atmospheriques et spectroscopiques ainsi que l'erreur statistique liee au bruit de detection est ensuite effectuee pour evaluer la precision de la mesure selon differentes configurations. Une fois les contraintes du systeme de mesure definies, la realisation du laser alexandrite bi-impulsion bi-longueur d'onde tenant compte des contraintes inherentes a l'utilisation aeroportee est presentee. Les caracteristiques spatiales et spectrales obtenues sont comparees aux valeurs requises. Des mesures en cuve d'absorption multi-passages permettent de verifier que les raies retenues sont bien isolees et que les caracteristiques du laser n'introduisent pas de biais sur la mesure. Les performances du lidar complet sont ensuite analysees en prenant en compte les limitations des detecteurs et du systeme d'analyse reels. Apres integration complete de l'instrument aeroporte, une campagne de validation a ete effectuee. Les mesures lidar sont en tres bon accord avec les mesures in-situ. L'analyse des resultats demontre que l'ensemble des performances obtenues repond aux objectifs scientifiques

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

Cette thèse a pour but de démontrer qu'un capteur inter-digité à conductivité de surface peut permettre la mesure en absolu de la teneur en vapeur d'eau d'un boîtier hermétique de composant électronique. On trouvera tout d'abord, outre certains rappels et une rapide présentation des autres méthodes de mesure, la description détaillée du nouveau banc de test que nous avons mis au point (qui permet de travailler, soit sous vide, pour effectuer des mesures sur des positifs hermétiquement encapsulés, soit en atmosphère humide contrôlée, pour les études physiques et les calibrations sur boîtiers ouverts), puis de son automatisation. Ensuite, sera proposée une interprétation de la courbe de réponse d'un tel capteur (polarisé en continu) , qui correspond à l'évolution de son courant de fuite interélectrodes en fonction de la température lors du refroidissement du boîtier. Cette interprétation est basée sur l'étude des phénomènes d'adsorption, de changements de phase, d'électrolyse, et des réactions électrochimiques. La clarification de la position sur cette courbe de la température de rosée/gel permet la détermination directe de la teneur en eau. En vue de l'optimisation future du capteur, des essais spécifiques permettent alors de proposer des hypothèses sur certains phénomènes physiques pouvant influer sur sa précision ou sur sa durée de vie. Enfin, on y trouvera une approche de la limite de sensibilité d'un tel capteur, basée sur l'étude des changements de phase des molécules d'eau physisorbées dans les micro-porosités de l'oxyde

La théorie de Lorenz-Mie généralisée (TLMG) est développée pour la description de la diffusion d’un faisceau incident quelconque par un sphéroïde homogène. Les expressions analytiques d’amplitude des champs diffusés, des sections efficaces de diffusion, d’absorption, et d’extinction, de pression, de radiation sont obtenues et des calculs numériques sont présentés. Pour enlever la contrainte de la TLMG dans les calculs numériques pour un sphéroïde de grande taille, l’optique géométrique classique est étendue au cas d’un faisceau gaussien diffusé par un sphéroïde. En ce qui concerne l’expérience, un système optique sur la base de l’extinction spectrale de la lumière est développé et appliqué à la mesure de vapeur humide dans une turbine à EDF. L’influence de la diffusion multiple sur le spectre d’extinction et celle de la diffusion des particules situées dans le bord de zone de la mesure sont analysées en utilisant le modèle de Monte Carlo
The generalized Lorenz-Mie (GLMT) is developed to describe the interaction between an arbitrary shaped beam and a homogeneous spheroid. Analytical expressions of the amplitudes of the scattering fields, absorption and extinction crosssections, and the radiation pressure are obtained. The numerical results are also presented. To overcome the drawback of the GLMT in numerical calculation for a large spheroid, the classical geometrical optics is extended to the case of Gaussian beam scattering by a spheroid. In experimental aspect, an optical system on the basis of the spectral light extinction method is developed and used for wet steam measurement in EDF. The influences of the scattering by the particles in the edge measurement zone and of the multiple scattering on the extinction spectrum are analyzed by using the Monte Carlo method

La vapeur d'eau atmosphérique est un élément important du cycle hydrologique. Ce gaz à effet de serre a des effets dominants sur le climat et sur le réchauffement climatique. Sa distribution est très variable à l'échelle mondiale et temporelle et ses mécanismes de répartition peu connue. Cette thèse porte d'une part sur l'étude de la colonne totale de vapeur d'eau au dessus de l'Observatoire de Haute Provence (OHP), mesurée avec les instruments SAOZ et Elodie depuis le sol, et avec les instruments embarqués sur satellite, GOME, GOME2 et SCHIAMACHY, et d'autre part sur la région côtière de la Méditerranée grâce aux données des mêmes satellites. L'analyse de ces données disponibles de 1995 à 2009 a permis leur validation, l'interprétation des champs de variabilités de la vapeur d'eau intégrant les mécanismes de distribution géographiques à l'échelle de l'OHP, ainsi que de leurs variations saisonnières et de leurs tendances à long terme au dessus de l'OHP et de la Méditerranée
The atmospheric water vapor is an important component of the hydrologic cycle. As greenhouse gas it has dominant effects on climate and global warming. Its distribution is highly variable at global and temporal scales and its mechanisms still poorly understood. This thesis deals with one hand on the study of total column water vapor over the Observatoire de Haute Provence (OHP) in Southern France, measured with instruments SAOZ and Elodie from the ground, and with instruments on satellites, GOME, and GOME2 SCHIAMACHY, and the other hand on the Mediterranean coastal region using data from the same satellites. Analysis of these data available from 1995 to 2009 allowed their validation and interpretation of field variability of water vapor incorporating the mechanisms of geographical distribution across the OHP, and their seasonal variations and their long-term trends over the OHP and the Mediterranean

Le suivi des processus industriels, le controle des teneurs en gaz a caractere polluant dans l'atmosphere et l'etude des reactions chimiques requierent des instruments capables de detecter de tres faibles teneurs. La spectrometrie d'absorption infrarouge a diode laser apporte une solution a ce probleme en permettant des sensibilites importantes et des temps de reponse de l'ordre de la minute. Ce memoire presente l'etude et la realisation d'un tel spectrometre pour la detection de faibles teneurs en vapeur d'eau. Celui-ci se caracterise par une source laser a semiconducteur du type ingaasp ayant une longueur d'onde d'emission egale a 1,37 micrometre, par l'utilisation d'une cellule multipassage du type herriot ayant une longueur totale de passage d'une vingtaine de metres, enfin par un faible encombrement. Le signal d'absorption est obtenu par un balayage rapide en longueur d'onde, realise en modulant le courant de diode. Une double voie, mesure et reference, permet de s'affranchir de la vapeur d'eau residuelle dans la tete de detection. Le faible signal d'absorption est converti apres amplification en un signal numerique puis moyenne sur plusieurs passages dans le but d'ameliorer le rapport signal sur bruit. Le mode principal de la diode est centre sur la bande d'absorption situee a 1,4 micrometre correspondant a une transition vibrationnelle harmonique. Avec un tel dispositif nous avons montre qu'il etait possible de detecter des concentrations de vapeur d'eau de l'ordre de 100 ppb, avec un signal sur bruit de 10. La sensibilite est essentiellement limitee par des interferences parasites et par l'utilisation d'une diode multimodes. L'emploi d'une source laser monomode (diode dfr ou diode a cavite externe) devrait permettre la mesure de teneur en h#2o inferieures a 10 ppb. Cette technique peut etre etendue a la detection de petites molecules possedant des liaisons x-h (x=c, n, o. . . )

L'amelioration des previsions meteorologiques necessite une connaissance precise des profils de vent et des contenus de vapeur d'eau dans l'atmosphere. A cette fin, plusieurs projets de lidars embarques sur satellites sont a l'etude dans les differentes agences spatiales. Ce travail est consacre au dimensionnement de la source laser d'un lidar coherent emettant a 2 m. Cette source permettra la mesure simultanee de vapeur d'eau et de vent dans la basse troposphere, depuis l'espace. Une pre-etude de faisabilite definit les contraintes energetiques du laser (2 a 5 joules), ainsi que les principales caracteristiques temporelles et spectrales de l'emission. Compte-tenu des contraintes de spatialisation qui imposent le choix d'une technologie tout solide, deux materiaux - le tm:ho:yag et le tm:ho:ylf - adaptes au pompage par diodes, ont ete pre-selectionnes. Nous avons developpe un modele numerique decrivant le fonctionnement des sources laser utilisant ces materiaux, en nous appuyant sur les resultats d'un ensemble d'experiences de caracterisation effectuees en laboratoire. Ce modele a ensuite ete exploite pour concevoir et dimensionner une source laser capable d'emettre l'energie requise. Les meilleurs resultats sont obtenus avec le tm:ho:ylf et une emission a deux impulsions laser par impulsion de pompage. Differentes options sont proposees, qui mettent en uvre un oscillateur et une chaine de 3 amplificateurs pour le niveau 2 joules et 4 amplificateurs pour le niveau 5 joules. Le rendement energetique global approche les 5%. Nous avons, par ailleurs, effectue une premiere etape dans la maitrise des caracteristiques spatiales et spectrales en realisant un oscillateur monomode de faible energie (10 mj) adapte a la mesure du vent par lidar doppler.

Réservé lors de sa mise en service aux applications militaires, le système GPS (Global Positioning System) est désormais utilisé par la communauté scientifique civile pour des applications de positionnement de précision; dans un souci d'amélioration de la précision du positionnement vertical par GPS, une action de recherche est menée conjointement depuis 1999 entre l'Institut Géographique National (IGN) et le Service d'Aéronomie (SA) du CNRS. Cette amélioration concerne la précision de la détermination du délai troposphérique (principalement dû à la présence de vapeur d'eau dont la distribution spatiale est très variable) qui limite actuellement la précision de la restitution de la composante verticale par GPS. Cette thèse porte donc sur l'étude d'une méthode de correction des mesures GPS de la propagation troposphérique et la validation du concept proposé à partir de mesures atmosphériques et de simulations numériques.

Dans un premier temps, le système GPS est présenté dans son utilisation géodésique classique; un bilan d'erreur est donné, en insistant particulièrement sur la modélisation du délai troposphérique qui intervient dans les observations GPS. L'erreur de positionnement induite par des hétérogénéités atmosphériques est estimée par simulation simplifiée de la chaîne de traitement GPS d'une ligne de base en double différence. Il en ressort qu'une correction externe des mesures GPS est nécessaire, et que les méthodes de traitement GPS actuelles (correction a priori et estimation de paramètres troposphériques) ne sont pas adaptées à des situations présentant de fortes hétérogénéités dans la distribution de vapeur d'eau atmosphérique.

Dans un second temps, l'étude se focalise sur le mode de la correction des mesures GPS à utiliser. Après une rapide revue des différentes techniques de sondage de la vapeur d'eau troposphérique, les précisions des délais troposphériques humides obtenus à partir d'une mesure résolue en distance sont comparées, par simulation, à celles obtenues à partir d'une mesure intégrée; de ces simulations, il est conclu qu'une mesure résolue (rapport de mélange ou concentration absolue), fournie par un lidar Raman à balayage, permet d'obtenir la précision sub-millimétrique visée sur le délai troposphérique humide.

Le développement instrumental d'un lidar Raman vapeur d'eau à balayage est ensuite abordé. Le principe de la mesure de vapeur d'eau par lidar Raman est présenté, et compte-tenu des configurations instrumentales existantes, des contraintes d'encombrement imposées par la mobilité du système et des performances obtenues par un simulateur développé pour l'occasion, les caractéristiques d'un nouveau système lidar Raman sont présentées. Les premiers résultats expérimentaux obtenus en visée zénithale lors de la campagne ESCOMPTE en 2001 et d'une campagne de mesure à Toulouse au CNRM en 2002 sont présentés, validant ainsi le simulateur instrumental du lidar Raman développé pour le sondage de la vapeur d'eau atmosphérique.

Dans une dernière partie, le bénéfice d'une correction externe des mesures GPS par lidar Raman à balayage est démontré par la simulation numérique. Les observations GPS et les corrections lidar correspondantes sont calculées à partir d'une simulation de l'évolution de la distribution spatiale de la vapeur d'eau effectuée à méso-échelle par le modèle MM5. La simulation concerne une journée d'étude de la campagne IHOP (International H2O Project) pour un cas où la couche limite est très hétérogène. La stratégie d'observation est discutée en fonction de l'erreur obtenue. Il est montré que les erreurs de positionnement sub-millimétriques (environ 10 fois plus faibles que celles obtenues lors d'un traitement GPS classique) peuvent être obtenues sur une période de 24 heures, avec un balayage séquentiel et homogène de la constellation de satellites GPS (5 minutes d'observation par satellite pour des élévations supérieures à 5°).