Le lidar pour explorer l’atmosphère terrestre
Résumés
L’exploration de l’atmosphère par lidar a commencé il y a maintenant 40 ans au LMD. L’observation lidar à partir de l’espace comme frontière ultime a motivé le développement de briques technologiques et d’instruments innovants sol et aéroporté ainsi que le traitement de signal nécessaires pour obtenir des données 4-D de plus en plus précises et exactes sur l’atmosphère (les aérosols, les nuages, la température, la dynamique et la concentration des principaux gaz à effet de serre H2O, CO2 et CH4) et la surface (fluorescence et structure de la canopée). Le LMD a notamment participé à la construction des missions Lidar spatiales d’observation de la Terre Calipso (NASA-CNES), ADM-Aeolus (ESA), EarthCARE (ESA-JAXA) et MERLIN (CNES-DLR).
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1L’observation des propriétés physico-chimiques de l’atmosphère et de la surface de notre planète recouvre des enjeux extrêmement variés pour notre société. On peut citer bien entendu la météorologie et le climat, l’environnement, l’agriculture mais aussi la santé publique, la sécurité industrielle, la défense et l’énergie avec des impacts conséquents sur notre système économique, politique et financier. Cependant l’atmosphère par son étendue conséquente et tridimensionnelle n’est pas un milieu facile à étudier. Les capteurs in situ en surface ou effectuant des profils par radiosondage, bien que fondamentaux, notamment pour la prévision et la modélisation, n’apportent que des mesures locales et ponctuelles dans l’espace ou dans le temps. Bien vite, une observation à distance (télédétection) s’est révélée nécessaire. Dans ce registre l’observation LIDAR (Light Detection and Ranging) a le potentiel unique d’effectuer une mesure non invasive continue et tridimensionnelle des propriétés physico-chimiques de l’atmosphère et de la surface. Cette capacité repose sur l’interaction laser-matière (Fig. 1a). L’instrument Lidar est constitué d’un émetteur laser impulsionnel dont le faisceau peut être balayé dans différentes directions pour sonder l’atmosphère. La longueur d’onde optique (< 30 µm) permet une interaction avec les éléments microscopiques (molécules et particules en suspension) et macroscopiques de l’atmosphère (nuages, surfaces). L’impulsion laser émise dans l’atmosphère interagit avec le milieu tout au long de sa propagation. Une partie infime de la lumière est rétrodiffusée et peut-être collectée avec un télescope, puis analysée. Le temps de parcours de l’impulsion permet de connaitre la distance de mesure. C’est le principe de la mesure lidar (Figure. 1b).
Figure 1 : Lidar Doppler

(a) De l’instrumentation lidar aux applications géophysiques. (b) Principe de la mesure Lidar.
2Le lidar est un outil idéal de vérification de simulations numériques météorologiques ou de la modélisation des propriétés de l’enveloppe superficielle de notre planète à différentes échelles (de la dizaine de mètres à plus de 1000 km pour un instrument aéroporté ou spatial). Citons les principales interactions laser-matière permettant d’accéder aux propriétés du milieu et à différents sujets de recherche sur le système terre : (1) la diffusion élastique pour étudier la réflectivité de surface, effectuer une mesure d’altimétrie (distance, structure de la végétation), caractériser des objets dans l’atmosphère (molécules, particules, insectes...) ; (2) la diffusion inélastique (Raman) de la matière pour caractériser séparément molécules et particules et effectuer une mesure de la température ; (3) la dépolarisation pour accéder à la forme des particules et aux propriétés des nuages (eau et glace) ; (4) l’absorption pour effectuer une mesure de concentration des gaz traces et des études sur la pollution ; (5) la fluorescence pour analyser le fonctionnement de la biosphère (photosynthèse), pour identifier le type de particules (feux, COVs) ; (6) l’effet Doppler et plus généralement la modification de la phase de l’onde lumineuse vitesse et direction du vent, caractérisation de la turbulence.
3L’instrumentation lidar, grâce aux progrès technologiques effectués durant les deux dernières décennies, est passée progressivement de la recherche fondamentale à des mesures opérationnelles effectuées par des systèmes semi-industriels. Citons par exemple, les progrès sur les laser fibrés qui permettent aujourd’hui la mise sur le marché de lidars vent 3D compact et transportables intervenant dans différentes conditions climatiques pour l’exploitation de l’énergie éolienne. Pourtant, en 1983, au commencement de la recherche lidar en France au LMD, le lidar Doppler n’est qu’une idée portée par P.H. Flamant au Professeur A. Berroir à son retour du JPL-Caltech, USA. A cette époque, seuls des lasers à gaz CO2 (λ =10.6 µm) couteux et imposants, avaient des caractéristiques de finesse spectrale et de puissance nécessaires à cette application. Malgré cela, en 1999, une réalisation instrumentale lidar franco-allemande majeure et unique au monde a vu le jour : le lidar Doppler aéroporté WIND (Figure 2).
Figure 2. Lidar Doppler

(a) LVT, lidar Doppler du LMD et (b) mesures de la vitesse radiale du vent pendant la campagne MAP en 1999 (c) WIND, lidar Doppler aéroporté franco-allemand (CNRS/LMD, CNES, DLR) et (d) mesures aéroportées du champ de vent au-dessus des Alpes pendant MAP.
4Une version opérant à partir du sol, le LVT (lidar vent transportable) sera aussi réalisée et participera au succès de l’expérience MAP (Mesoscale Alpine Program) en effectuant une cartograhie 3D du champ de vent dans la vallée du Rhin. Cette initiative du LMD, portée par l’ingénieur C. Loth et de nombreux étudiants en thèse (A. Dolfi-Bouteyre, P. Delville, A. Dabas, P. Drobinski) ainsi que des études lidar vent pour l’ESA est un des fondements de la mission lidar vent spatiale ADM-Aeolus (ESA) lancée le 22 août 2018. En parallèle d’autres études sur les nuages et les aérosols ont été initiées au LMD en 1993 avec la réalisation du lidar LNA (lidar nuage-aérosols) reposant sur la technologie laser Nd :YAG (aujourd’hui omniprésente) permettant une observation de l’atmosphère à la fois dans le proche IR (1.064 µm), le visible (532 nm) et l’UV (355 nm). Ce lidar a permis la création de la première version de l’observatoire SIRTA (Site Instrumental de Recherche par Télédétection Atmosphérique) en 1999 sur le site de l’École polytechnique. Une version compacte et transportable sera réalisée dans les années 2000 (station MOBILIS) avec la thèse de J. Cuesta et participera en particulier à l’expérience AMMA (mousson africaine) en Algérie à Tamanrasset en 2006. Le LMD participera à de multiples études théoriques et expérimentales auprès des agences spatiales (CNES, ESA) pour spatialiser ce type d’instrument ce qui aboutira au lancement de la mission lidar CALIPSO (NASA-CNES) le 28 avril 2006 puis au développement de la mission EarthCARE (ESA-JAXA) (lancement le 29 mai 2024) toujours pour des études sur les particules et les nuages dans l’atmosphère (H. Chepfer, V. Noel). Avec la thèse de F. Gibert en 2002, puis l’arrivée d’un nouveau groupe « fluorescence » avec I. Moya, Y. Goulas et A. Ounis, la recherche lidar au LMD se tourne résolument vers les gaz à effet de serre et les échanges biosphère-atmosphère. Des premières mesures lidar de concentration en CO2 atmosphérique simultanées avec des mesures de vitesse de vent sont réalisées par l’instrument DIAL (Differential Absorption Lidar) et Doppler, COWI (CO2 and Wind lidar) en 2004. Cette recherche instrumentale conduira à l’élaboration d’un projet de mission lidar IPDA (Integrated Path Differential Absorption) pour le CO2 soumis à l’ESA mais non sélectionné en 2007. Cependant un projet similaire initié par le LMD sera accepté au CNES en 2011 pour la mesure de CH4 à partir de l’espace. C’est la mission MERLIN (CNES-DLR) dont le lancement est prévu en 2029. La recherche instrumentale lidar sur les gaz à effet de serre sous le leadership de F. Gibert a requis le développement de multiples innovations technologiques au LMD portées principalement par les ingénieurs D. Edouart et C. Cénac : sources lasers innovantes dans le proche IR à 2.051 µm pour le CO2 et H2O et à 1.645 µm pour le CH4 mais aussi détecteur très faible bruit (photodiode à avalanche HgCdTe) (A. Dumas), système de balayage de faisceaux (mesures 3D), système d’asservissement et référence spectrale, acquisition et traitement de signal en temps réel. Ce travail est aussi le fruit de multiples collaborations en France (notamment pour les études spectroscopiques et les détecteurs). Les premières mesures de CO2 atmosphériques ont montré la nécessité d’avoir une vision unifiée des principales caractéristiques de l’atmosphère et de la surface. Pour cette dernière, le LMD a réalisé un lidar aéroporté LASVEG pour le suivi de la dynamique spatiale et temporelle de la fluorescence du couvert végétal en lien avec la structure de la canopée. Ce type d’étude contribue au développement de la mission spatiale FLEX (ESA) dont le lancement est prévu en 2025. En ce qui concerne les échanges de gaz biosphère-atmosphère (H2O, CO2, CH4), l’observation simultanée du profil de température potentielle s’est révélée fondamentale pour connaitre la stratification de l’atmosphère et ainsi expliquer les gradients de concentrations proche de la surface. En 2016, le LMD a développé le lidar TERA (Temperature and H2O Raman lidar) à 355 nm, pour la mesure du profil de température et de vapeur d’eau dans l’atmosphère. L’ensemble COWI et TERA constitue en 2021 l’observatoire lidar mobile du LMD capable d’effectuer des mesures tridimensionnelles de la vitesse du vent, de la température et des concentrations de gaz H2O et CO2 (Figure 3).
Figure 3 : Lidar mobile du LMD

(a) Observatoire lidar mobile du LMD en 2021. (b) Configuration de mesure 3D pour restituer différentes variables atmosphériques. PPI : scan horizontal à élévation fixe ; RHI : scan vertical à azimut fixe. (c) Mesures lidar 3D avec de haut en bas : réflectivité de l’atmosphère, vitesse radiale du vent, rapport de mélange en vapeur d’eau et température.
5Un résultat unique au monde est la capacité de mesurer simultanément toutes ces variables en 3D à des échelles spatio-temporelles très diverses, de la turbulence (1s – 10 m) à la moyenne échelle (1h – 10 km) permettant ainsi de faire le lien entre modélisation à très fine échelle (type LES : large-eddy simulations) et large échelle (type GCM : global climate model). Par ailleurs des mesures simultanées de la dynamique atmosphérique et de sa composition permet d’accéder à des mesures directes de flux. Les applications visées peuvent alors être la quantification des émissions de gaz à effet de serre d’une ville ou d’une zone industrielle et l’analyse de l’efficacité des puits naturels ou artificiels de carbone, dans le cadre des actions de lutte contre le réchauffement climatique.
6En conclusion, l’exploration de l’atmosphère par lidar a commencé il y a maintenant 40 ans au LMD. L’observation lidar à partir de l’espace comme frontière ultime a motivé le développement et la fiabilité de briques technologiques nécessaires pour obtenir des instruments opérationnels fournissant des données de plus en plus précises et exactes. C’est grâce à ces développements que le lidar est aujourd’hui devenu un instrument incontournable dans toutes les expériences géophysiques. Par sa capacité d’observation 3D à différentes échelles des principales variables atmosphériques, le lidar représente sans doute le futur grand pas pour l’homme dans sa compréhension et modélisation du système météorologique et climatique.
COWI
Le CO2 est le principal gaz à effet de serre anthropique responsable du réchauffement climatique. La prévision du climat futur reste incertaine principalement à cause de notre méconnaissance de l’évolution des sources et des puits de carbone. Un formidable dispositif scientifique est pourtant à l’œuvre aujourd’hui utilisant des observations diverses (réseaux de mesure in situ, caractéristiques de la surface et mesure intégrée sur la colonne par satellite) et des modélisations numériques à différentes échelles spatio-temporelles des compartiments terrestres océanique, biosphérique et atmosphérique. Dans ce contexte, le lidar, par sa capacité de mesure 3D et résolues en temps et en distance, permet d’effectuer une continuité d’échelles dans les observations.
Historiquement, suite à la thèse de F. Gibert en 2005 puis la proposition de mission lidar spatiale CO2 A-SCOPE à l’ESA par P. Flamant en 2007, le LMD a initié le développement du lidar COWI (CO2 and Wind lidar) en 2008 pour répondre à plusieurs objectifs : (i) la surveillance atmosphérique au-dessus de sites de stockage géologique de CO2 (Carbone Capture and Storage Experiment) (ii) la démonstration expérimentale d’un concept de mission spatiale pour la mesure de CO2 à la surface de la Terre. Le lidar COWI combine des mesures de (i) structure de l’atmosphère (diffusion particulaire à 2 µm), (ii) dynamique (vitesse radiale) et (iii) concentration du CO2 atmosphérique. Dans sa version actuellement en développement, le lidar pourra aussi effectuer des mesures complémentaires de H2O et de l’isotopologue stable du CO2, 13CO2. Le lidar COWI est un lidar à absorption différentielle (DIAL) fonctionnant avec une source laser impulsionnelle à 2 µm. Dans sa version la plus simple, le lidar émet des impulsions à deux longueurs d’onde, la première étant positionnée sur une raie d’absorption du CO2, l’autre étant en dehors de la raie pour servir de référence. La différence des signaux rétrodiffusés par l’atmosphère aux deux longueurs d’onde permet d’accéder directement à l’absorption (loi de Beer-Lambert) puis à la concentration de CO2 dans une porte de mesure à une certaine distance (Figure 4). Pour effectuer cette mesure, la connaissance des caractéristiques de la raie d’absorption et des conditions météorologiques (température, pression, humidité) est nécessaire. Le lidar COWI est aussi un lidar Doppler qui peut effectuer des mesures de la vitesse radiale du vent car sa détection, dite hétérodyne, lui permet d’accéder au décalage en fréquence des impulsions laser émises par le mouvement des cibles diffusantes dans l’atmosphère (particules).
Les objectifs visés concernent les échanges surface-atmosphère (concentration et flux) de CO2 dans différentes conditions climatiques. Un tel instrument permet d’observer le transport et le mélange de CO2 à différentes échelles spatio-temporelles suivant les conditions de surface (canopée urbaine ou biosphérique) et les conditions météorologiques (front) et d’instabilité de l’atmosphère (stratification nocturne ou hivernale, convection plus ou moins profonde). Le lidar COWI a été et est aujourd’hui impliqué dans divers projets : monitoring d’émissions anthropiques de CO2 sur site industriel (projet Sentinelle en 2012), étude des gradients et flux de scalaires à l’interface d’une zone irriguée et désertique (projet HILIAISE en 2019), bilan de carbone dans les zones intertidales (projet CABESTAN en 2023). Depuis les premières mesures de CO2 par cet instrument en 2012, ce lidar a servi d’incubateur pour d’importantes innovations technologiques à la fois sur les lasers et les détecteurs. Citons par exemple le concept de source laser hybride fibrée solide multi-longueurs d’onde qui a donné lieu au dépôt d’un brevet mais aussi le principe d’une double détection directe et hétérodyne pour une mesure simultanée de vitesse de vent et de concentration de CO2 ou encore le test de nouveau détecteur très faible bruit à 2 µm (APD HgCdTe) et le développement de systèmes à balayage pour l’observation 3D.
Ce travail instrumental et expérimental a bénéficié de divers soutiens financiers nationaux CNRS, ANR, CNES, École polytechnique, Europe (ESA, H2020) et de l’implication du personnel technique du laboratoire en optique (D. Edouart, F. Le Mounier, J. Pellegrino), en électronique (C. Cénac), au bureau d’études et en mécanique (O. Bodde, H. Salvador, O. Bousquet), en traitement du signal (D. Edouart) et d’étudiants en stage et thèse (A. Dumas). Il a aussi bénéficié de collaboration avec d’autres organismes. Citons principalement les études spectroscopiques complémentaires avec le GSMA (Reims) et le LiPhy (Grenoble) et aussi le développement de sources laser innovantes fibrée-solide à 2 µm avec l’ONERA (thèses de J. Lahyani (2018) et M. Thiers (2022)).
Figure 4 Lidar COWI

(a) et (b) Lidar COWI en opération pendant la campagne HILIAISE (2021). (c) et (d) Mesure de rapport de mélange en CO2 atmosphérique, identification des principales fluctuations sur le campus de l’Ecole Polytechnique et comparaison avec des mesures in situ à une distance de 400 m du lidar.
Table des illustrations
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Titre | Figure 1 : Lidar Doppler |
Légende | (a) De l’instrumentation lidar aux applications géophysiques. (b) Principe de la mesure Lidar. |
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Titre | Figure 2. Lidar Doppler |
Légende | (a) LVT, lidar Doppler du LMD et (b) mesures de la vitesse radiale du vent pendant la campagne MAP en 1999 (c) WIND, lidar Doppler aéroporté franco-allemand (CNRS/LMD, CNES, DLR) et (d) mesures aéroportées du champ de vent au-dessus des Alpes pendant MAP. |
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Titre | Figure 3 : Lidar mobile du LMD |
Légende | (a) Observatoire lidar mobile du LMD en 2021. (b) Configuration de mesure 3D pour restituer différentes variables atmosphériques. PPI : scan horizontal à élévation fixe ; RHI : scan vertical à azimut fixe. (c) Mesures lidar 3D avec de haut en bas : réflectivité de l’atmosphère, vitesse radiale du vent, rapport de mélange en vapeur d’eau et température. |
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Titre | Figure 4 Lidar COWI |
Légende | (a) et (b) Lidar COWI en opération pendant la campagne HILIAISE (2021). (c) et (d) Mesure de rapport de mélange en CO2 atmosphérique, identification des principales fluctuations sur le campus de l’Ecole Polytechnique et comparaison avec des mesures in situ à une distance de 400 m du lidar. |
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Pour citer cet article
Référence électronique
Fabien Gibert, « Le lidar pour explorer l’atmosphère terrestre », Histoire de la recherche contemporaine [En ligne], Tome XIII n°1 | 2024, mis en ligne le 04 février 2025, consulté le 14 mai 2025. URL : http://journals.openedition.org/hrc/12077 ; DOI : https://doi.org/10.4000/13dh6
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