• Langue : Français
• Discipline : Terre, enveloppes fluides
• Identifiant : 2025ULILR071
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 17/12/2025

Résumé en langue originale

L'atmosphère de la région Hauts-de-France est régulièrement affectée par des évènements atmosphériques d'ampleur et de nature très variables. Ces aérosols, nuages et gaz atmosphériques jouent un rôle crucial dans les processus atmosphériques de l'échelle régionale à l'échelle planétaire. Les paramètres descriptifs de leurs propriétés sont pour la plupart considérés comme des variables climatiques essentielles (ECV), certaines demeurant encore non accessibles tandis que d'autres restent imprécises. L'atmosphère météorologique et la basse stratosphère étant leurs principaux réservoirs, il nous faut accéder à leur répartition verticale et la suivre au cours du temps. Les lidars représentent l'une des techniques de mesure permettant de sonder l'atmosphère avec une grande finesse.L'expertise du LOA sur cette thématique lui a permis d'être intégré dans le réseau européen de Lidar pour la surveillance des aérosols (EARLINET), puis dans l'infrastructure de recherche atmosphérique ACTRIS. Le lidar Mie-Raman LILAS, développé et utilisé par le LOA dans le cadre de l'infrastructure de recherche ACTRIS depuis 2013 (soutiens Région et PIA3/CaPPA), est adapté à cette problématique.Cependant, il est nécessaire d'anticiper l'évolution des outils de mesure de l'infrastructure sur les 5-15 ans à venir. C'est l'objet du projet EQUIPEX/PIA3 OBS4CLIM. Dans ce projet, le LOA propose plusieurs innovations instrumentales et algorithmiques pour profiler plus précisément l'atmosphère (aérosols, nuages, gaz). Ces innovations sont également requises pour soutenir les missions spatiales à venir (EarthCare, ACCP, MICROCARB, IASI, TROPOMI, MERLIN, EPS-SG, MTG) visant tout ou partie de ces paramètres atmosphériques d'importance climatique.C'est ainsi que pour dépasser les limites instrumentales actuelles des expériences de faisabilité préliminaires de détection de la fluorescence atmosphériques ont été réalisées à l'aide du lidar Mie-Raman LILAS opéré par le LOA. Ces premiers résultats (Veselovskii et al., 2020, AMT ; Hu et al., 2021) montrent indubitablement le potentiel de la mesure de fluorescence induite pour préciser les propriétés des aérosols i) en conditions d'atmosphère non nuageuse, ii) en conditions nuageuses et pour affiner celles des nuages. Dans ce dernier cas, nos résultats viennent de montrer qu'il est possible de détecter les aérosols au sein et au-dessus des nuages, ce qui était impossible jusqu'à présent, depuis le sol, par télédétection. Cette nouvelle technique représente une forte valeur ajoutée par rapport aux lidar existants.Dans le cadre de cette thèse, il s'agira de participer au développement et l'étude expérimentale de LIFE (Laser Induced Fluorescence Explorer) dédié à l'étude de l'atmosphère particulaire (aérosols et nuages) et gazeuse (H2O, CH4,,..). Le Lidar intégrera un haut niveau d'automatisation (fonctionnement, traitement des données), ce qui est fondamental pour maximiser l'observation, en particulier pendant les crises (par exemple, confinement sanitaire 2020 ; éruption volcanique ; …). LIFE combinera un laser pompé par diodes de puissance supérieure à celle du lidar LILAS actuellement en opération et une détection adaptée (Veselovskii et al., 2020, AMT ; Hu et al., 2022) aux signaux atmosphériques très faibles de type Raman et fluorescence. Lidar expérimental, LIFE permettra de profiler aérosols, nuages et certaines espèces gazeuses comme le méthane (Veselosvkii et al., 2019, AMT), la vapeur d'eau, … en modulant et adaptant sa configuration.Ce projet a été dirigé par Pr. Philippe Goloub et est en collaboration avec i) le Dr. Q. Hu, jeune chercheuse, du LOA, ii) avec Dr. I. Veseloskii, professeur invité régulier du labex CaPPA, depuis 2014, et iii) en partenariat avec le Dr. S. Victori (CIMEL). Ce projet participe à l'un des axes de recherche du laboratoire commun AGORA-Lab qui vient d'être crée.

Résumé traduit

The atmosphere of the Hauts-de-France region is regularly affected by atmospheric events of highly variable scale and nature. These aerosols, clouds, and atmospheric gases play a crucial role in atmospheric processes ranging from the regional to the global scale. The descriptive parameters of their properties are mostly considered essential climate variables (ECVs), although some remain inaccessible and others still imprecise. Since the meteorological atmosphere and the lower stratosphere are their main reservoirs, it is necessary to access and monitor their vertical distribution over time. Lidars are among the measurement techniques that allow the atmosphere to be probed with great precision.The expertise of the LOA (Laboratoire d'Optique Atmosphérique) in this field has enabled its integration into the European Lidar network for aerosol monitoring (EARLINET), and later into the ACTRIS atmospheric research infrastructure. The Mie-Raman lidar system LILAS, developed and operated by the LOA within the framework of the ACTRIS research infrastructure since 2013 (supported by the Region and PIA3/CaPPA), is well-suited to address these issues.However, it is necessary to anticipate the evolution of the infrastructure's measurement tools over the next 5-15 years. This is the objective of the EQUIPEX/PIA3 OBS4CLIM project. In this project, the LOA proposes several instrumental and algorithmic innovations to more accurately profile the atmosphere (aerosols, clouds, gases). These innovations are also required to support upcoming space missions (EarthCare, ACCP, MICROCARB, IASI, TROPOMI, MERLIN, EPS-SG, MTG), which aim to observe some or all of these climatically significant atmospheric parameters.To overcome the current instrumental limitations, preliminary feasibility studies on atmospheric fluorescence detection have been conducted using the Mie-Raman lidar LILAS operated by the LOA. These early results (Veselovskii et al., 2020, AMT; Hu et al., 2021) clearly demonstrate the potential of laser-induced fluorescence measurements to improve the characterization of aerosol properties i) under cloud-free conditions, ii) in cloudy conditions, and to refine the understanding of cloud properties. In the latter case, our results have just shown that it is now possible to detect aerosols within and above clouds — a feat that was previously impossible from the ground using remote sensing. This new technique represents significant added value compared to existing lidar systems.As part of this PhD thesis, the objective will be to contribute to the development and experimental study of LIFE (Laser Induced Fluorescence Explorer), dedicated to the study of the particulate (aerosols and clouds) and gaseous (H₂O, CH₄, etc.) atmosphere. The lidar system will feature a high level of automation (operation, data processing), which is essential to maximize observational capabilities, especially during crisis events (e.g., the 2020 lockdown, volcanic eruptions, etc.). LIFE will combine a diode-pumped laser with greater power than that of the currently operational LILAS lidar and a detection system adapted (Veselovskii et al., 2020, AMT; Hu et al., 2022) to very weak atmospheric signals such as Raman and fluorescence. As an experimental lidar, LIFE will enable profiling of aerosols, clouds, and certain gas species such as methane (Veselovskii et al., 2019, AMT), water vapor, and others, by modulating and adapting its configuration.This project was carried out by PR. Philippe Goloub and was in collaboration with i) Dr. Q. Hu, a young researcher at LOA, ii) Dr. I. Veselovskii, a regular visiting professor of the CaPPA Labex since 2014, and iii) in partnership with Dr. S. Victori (CIMEL). The project is part of one of the research areas of the recently established joint laboratory AGORA-Lab.