Mesures par spectrométrie laser des flux de N2O et CH4 produits par les sols agricoles et viticoles

par Irene Mappe fogaing

Thèse de doctorat en Sciences - STS

Sous la direction de Georges Durry.

Soutenue le 28-03-2013

à Reims , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences, technologies, santé (Reims, Marne) , en partenariat avec (GSMA) Groupe de Spectroscopie Moléculaire et Atmosphérique (laboratoire) .

Le président du jury était Denis Loustau.

Le jury était composé de Georges Durry, Marc Aubinet, Eric Ceshia, Lilian Joly.

Les rapporteurs étaient Pierre Cellier, Pierre Flamant.


  • Résumé

    Depuis l'ère industrielle, les émissions des gaz à effet de serre, responsables du réchauffement climatique majoritairement d'origine anthropique, ne cessent d'augmenter. Parmi ces gaz, les principaux concernés sont le dioxyde de carbone (CO2), le protoxyde d'azote (N2O) et le méthane (CH4).Dans le cadre de ma thèse, nous allons nous intéresser majoritairement au N2O et aussi au CH4, qui malgré leurs plus faibles quantités dans l'atmosphère, ils ont un potentiel de réchauffement global largement supérieur à celui du CO2.Ces rejets gazeux anthropiques suffisent à provoquer des modifications climatiques à court ou moyen terme. Il est donc nécessaire de comprendre les phénomènes liés à ces émissions. De nombreux réseaux européens tels que Euroflux, CarboEuroflux, NitroEurope, CarboEurope, GHG-Europe et ICOS ont activement contribué à la quantification et la compréhension des émissions des gaz à effet de serre. Il subsiste cependant d'importantes incertitudes sur les bilans inter annuels de ces émissions. Afin de mieux assimiler la variabilité temporelle des émissions de N2O et CH4, il est indispensable de les mesurer continuellement dans le temps en fonction des écosystèmes, des types de sol, et de disposer d'instruments de mesure performants. Le GSMA grâce à ses compétences en instrumentation, a développé un spectromètre utilisant un laser à cascade quantique, QCLAS (Quantum Cascade Laser Absorption Spectrometer), dédié à la mesure in situ de flux de gaz produits par les sols. Comme dans toute expérimentation, les mesures faites par QCLAS peuvent être contaminées de bruits. Ces bruits peuvent entraîner des biais sur les valeurs de flux calculés. C'est la raison pour laquelle on s'intéressera aux méthodes d'analyses des signaux telles que les transformées en ondelettes, la décomposition en valeurs singulières, dont l'utilisation aura pour objectif d'extraire l'information utile des signaux, et permettra d'améliorer significativement le rapport signal à bruit ainsi que la dispersion des mesures. Cette thèse est organisée en trois principales parties : la première est consacrée dans un premier temps aux techniques usuelles de mesure de gaz, où nous introduirons l'instrument QCLAS. On verra ensuite trois techniques usuelles de mesure de flux à savoir : la technique des enceintes closes, l'Eddy corrélation, et le relaxed Eddy accumulation. La seconde partie portera sur les différentes procédures et méthodes de traitement pour l'optimisation de la mesure expérimentale. La dernière partie portera sur les différentes campagnes de mesures réalisées avec QCLAS. Ces applications montreront la robustesse de QCLAS ainsi que son aptitude à effectuer des mesures de terrain.

  • Titre traduit

    Measurement by laser spectrometry of N2O fluxes producted by agricultural and viticultural soil


  • Résumé

    Since the industrial revolution, emissions of greenhouse gases (GHG) responsible for global warming, mainly anthropogenic, continue to increase. Among these gases, the main concerned are carbon dioxide (CO2 ), nitrous oxide (N2O ) and methane (CH4 ).In my thesis, we will focus mainly on N2O and CH4 , which despite their smaller quantities in the atmosphere, have a global warming potential higher than the CO2. These anthropogenic gas emissions are sufficient to cause climatic change in the short or medium term. It is therefore necessary to understand the phenomena linked to these emissions.Many European networks such as Euroflux, CarboEuroflux, NitroEurope, CarboEurope GHG-Europe and ICOS have actively contributed to the understanding and quantification of greenhouse gases emissions. However it remains considerable uncertainty about the inter-annual balance sheets of these emissions. To better assimilate the temporal variability of N2O and CH4 emissions, it is necessary to measure continuously over time in terms of ecosystems, soil types, and to have performance measurement tools. The GSMA with its expertise in instrumentation, has developed a spectrometer using a quantum cascade laser, QCLAS (Quantum Cascade Laser Absorption Spectrometer), designed to measure in situ gas flow produced by the soil. As in any experiment, QCLAS measurements may be contaminated by noise. These noises can cause biases in fluxes determination. This is why we will focus on signal proccessing methods such as wavelet transform, singular value decomposition, with the purpose of extracting useful signal informations and significantly improving the signal to noise ratio and the dispersion of measurements. This thesis is organized in three main parts: The first part is devoted first to conventional techniques for gas measurements, where we will introduce the instrument QCLAS. Then, we will examine three usual techniques of flow measurement namely: the technique of closed chambers, Eddy correlation and relaxed Eddy accumulation. The second part will focus on the different procedures and treatment methods to optimize experimental measurements. The last part will focus on the various measurements campaigns made with QCLAS. These applications demonstrate the robustness of QCLAS as well as its ability to perform field measurements.


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