Une camionnette blanche traverse un carrefour de nuit. Depuis son toit, un fin rayon laser vert monte tout droit dans l’obscurité. On dirait une scène de film de science-fiction, mais ce type de véhicule de mesure a une application très concrète : rendre visible l’endroit où des particules polluantes flottent dans l’air.
La Chine utilise le lidar mobile pour étudier l’atmosphère en se déplaçant. Les chercheurs peuvent ainsi observer au-dessus des rues et des quartiers, là où les stations de mesure au sol ne racontent qu’une partie de l’histoire. La technique fournit en quelque sorte une coupe de l’air : à quelle altitude se trouvent les particules, comment ces couches évoluent-elles et où la pollution se dirige-t-elle ?
Un radar qui utilise la lumière
Lidar signifie Light Detection and Ranging. Le principe ressemble à celui du radar, mais l’appareil émet des impulsions lumineuses au lieu d’ondes radio. Une petite partie de cette lumière est renvoyée par les molécules d’air et les particules en suspension. Un télescope capte le signal de retour, que des détecteurs sensibles enregistrent ensuite.
En mesurant le temps écoulé entre l’émission et la réception, le système calcule la distance jusqu’aux particules. Avec un faisceau orienté vers le haut, cela indique à quelle altitude elles se trouvent. La NASA décrit ce principe pour son réseau de lasers de mesure compacts, qui utilisent de courtes impulsions pour cartographier les nuages et les aérosols.
Ces aérosols sont de minuscules particules solides ou gouttelettes qui flottent dans l’air, comme la poussière, la fumée et le sel marin. La quantité de lumière rétrodiffusée renseigne sur leur répartition. Avec des canaux de mesure supplémentaires, les chercheurs peuvent aussi obtenir des indices sur les propriétés des particules.
Pourquoi le faisceau est-il vert ?
De nombreux lidars atmosphériques fonctionnent notamment avec une lumière d’environ 532 nanomètres, une longueur d’onde située dans la partie verte du spectre visible. La NASA utilise de tels canaux, par exemple en complément de la lumière infrarouge, pour étudier la répartition et les propriétés des particules. Les longueurs d’onde exactes varient selon les instruments.
Une partie de la lumière laser est diffusée latéralement en chemin. Une caméra peut ainsi saisir le faisceau sous forme de ligne, surtout sur un fond nocturne sombre. Le rayon visible n’est donc que la partie la plus spectaculaire d’un processus de mesure : l’information utile se trouve dans la faible lumière que reçoit le récepteur.
Une simple ligne verte ne permet pas de savoir si l’air est propre. Il faut pour cela les mesures et leur traitement. Une seule couleur de lumière ne rend pas non plus un appareil capable d’identifier chaque polluant séparément. Le type de laser, le récepteur et la méthode d’analyse déterminent ce que le système peut mesurer.
Une station de mesure qui va au-devant de la pollution
L’avantage d’une camionnette est sa liberté de mouvement. Une station fixe suit ce qui se passe en un seul endroit. Un lidar mobile peut mesurer différentes zones en route et révéler des écarts entre les lieux. Ensemble, ils fournissent davantage d’informations sur la propagation de la pollution de l’air qu’un seul point de mesure.
L’Académie chinoise des sciences a indiqué en mars 2019 que des chercheurs de l’Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics avaient développé et commercialisé de tels systèmes. L’équipement embarqué devait permettre de recueillir rapidement des profils de la pollution régionale et d’étudier sa formation, sa dissipation et ses déplacements.
C’était déjà plus qu’une expérience de laboratoire. Lors du sommet des BRICS à Xiamen en septembre 2017, des chercheurs ont combiné le lidar mobile avec des points de mesure fixes et d’autres instruments optiques. Ils ont notamment étudié comment la pollution était apportée depuis les zones environnantes. Ils ont utilisé des méthodes de mesure différentes pour les particules fines et l’ozone.
L’air au-dessus d’une ville compte aussi
C’est justement cette information sur l’altitude qui rend le lidar intéressant. Une couche de pollution au-dessus de la ville peut échapper à un point de mesure situé dans la rue. En mesurant à différentes altitudes et à différents endroits, les chercheurs obtiennent une meilleure image des masses d’air qui entrent dans une zone ou en sortent. Cela aide à comprendre des phénomènes difficiles à expliquer avec des mesures au sol isolées.
Le spectaculaire rayon vert a donc un but bien prosaïque : représenter la pollution de l’air dans l’espace. La camionnette transforme un trajet ordinaire en itinéraire de mesure et rend visible ce que l’on peut à peine évaluer depuis le trottoir. Au-dessus de cette rue apparemment vide flotte tout un monde d’informations.
