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Une technique de restitution particulière est utilisée pour la plupart des mesures de composants atmosphériques: la méthode DOAS. L'histoire du principe de la spectroscopie d'absorption optique différentielle (DOAS) remonte aux premières mesures de la couche d'ozone par Fabry et Buisson dans les années 1920.

Cette méthode est largement utilisée notamment pour la mesure du dioxyde d'azote (NO2), mais de nombreux autres gaz atmosphériques peuvent également être détectés (par exemple, le formaldéhyde, le dioxyde de soufre, l’ozone etc), et ceci tout aussi bien depuis l’espace qu’à partir du sol où même en avion.

Chaque substance laisse une empreinte dans le spectre lumineux

La technique DOAS consiste à étudier l'intensité de la lumière en fonction de sa longueur d'onde, c’est-à-dire sa couleur. Lorsque la lumière traverse un milieu gazeux (comme l'atmosphère), le spectre se modifie sous l'influence de l'absorption par les molécules présentes. Cette absorption est différente pour chaque substance chimique, et chaque substance laisse donc une empreinte dans le spectre lumineux observé.

La différence d'intensité lumineuse entre les longueurs d'onde où une molécule absorbe fortement et celles où l'absorption est faible, permet de déterminer le nombre de molécules le long du trajet lumineux.

La colonne totale d'un gaz (concentration, dans une direction verticale)

Appliqué au spectre de la lumière solaire diffusée par l'atmosphère, la technique DOAS peut être utilisée pour déterminer la colonne totale (la concentration d'un produit chimique, intégrée dans une direction verticale) d'un gaz tel que le NO2. Cette colonne peut être considérée comme l'épaisseur de la couche de gaz dans l'atmosphère. Comme la quantité mesurée (dans ce cas la colonne de NO2) se trouve à grande distance de l'instrument de mesure, la technique de mesure est appelée télédétection.

Remote sensing and in situ measurements explained

Les mesures DOAS sont complémentaires aux données obtenues par les stations fixes de surveillance de la qualité de l'air, comme celles exploitées par les agences de qualité de l’air régionales en Belgique. Ces dernières sont basées sur une analyse chimique d'échantillons prélevés dans l'air en contact direct avec la station. On parle donc de mesures in situ. La connaissance des concentrations en surface, mesurées in situ par ces stations, est fondamentale pour étudier l'exposition de la population aux substances nocives.

D'autre part, les mesures des colonnes de gaz effectuées par les dispositifs de télédétection permettent de calibrer et de valider les données satellitaires et de les convertir en concentrations de surface. Elles fournissent également des conditions aux limites pour les calculs de modèles de la chimie et du transport des polluants, indispensables pour mieux comprendre et prévoir la qualité de l'air.

Pour faire une analogie avec les sens humains :

  • les mesures de télédétection peuvent être comparées à la vue
  • les mesures in situ peuvent être comparées à l'odorat
La technique DOAS est largement utilisée pour les mesures avec des instruments au sol. (Image credits: BIRA-IASB, Xianghe)
Les instruments DOAS peuvent aussi bien observer depuis les satellites et les avions. (Image credits: AROMAPEX campaign, 2016).