Analyse du flux de poussière par lidar Doppler à faible cohérence

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 4086 (2023) Citer cet article

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La visualisation du flux de poussière et de la dynamique du vent près de la surface du sol est essentielle pour comprendre le mélange et l'interaction entre la géosphère et l'atmosphère près de la surface. Connaître le flux temporel de poussière est bénéfique pour lutter contre la pollution de l’air et les problèmes de santé. Les flux de poussière près de la surface du sol sont difficiles à surveiller en raison de leur petite échelle temporelle et spatiale. Dans cette étude, nous proposons un lidar Doppler à faible cohérence (LCDL) pour mesurer le flux de poussière près du sol avec des résolutions temporelle et spatiale élevées de 5 ms et 1 m, respectivement. Nous démontrons les performances du LCDL dans des expériences en laboratoire utilisant des particules de farine et de carbonate de calcium libérées dans la soufflerie. Les résultats de l'expérience LCDL montrent un bon accord avec les mesures anémométriques dans des vitesses de vent allant de 0 à 5 m/s. La technique LCDL peut révéler la distribution de la vitesse de la poussière, qui est affectée par la masse et la taille des particules. En conséquence, différents profils de distribution de vitesse peuvent être utilisés pour déterminer le type de poussière. Les résultats de simulation du flux de poussière coïncident bien avec les résultats expérimentaux.

Les flux de poussière sont actifs près de la surface du sol, là où le flux de vent est complexe. C'est important pour comprendre le mélange et l'interaction entre la géologie et l'atmosphère de surface. La dispersion des poussières déposées à la surface du sol constitue un problème majeur non seulement pour la conservation de l'environnement, mais également pour la santé humaine, comme les maladies respiratoires, et pour la pollution de l'air par les poussières anthropiques dans les zones urbaines1,2,3. En particulier, le flux de poussière dans la basse atmosphère est compliqué par la topographie et les structures. Le comportement de la poussière dispersée sur le terrain est abrupt. En visualisant les vents urbains locaux entre les bâtiments, appelés canyons de rue4, il est possible de prédire la répartition du flux de poussière dans la zone locale et de comprendre son impact sur les zones de vie. A proximité de l'atmosphère de surface, certains obstacles comme les montagnes et les bâtiments bloquent et modifient fortement le flux de poussières. La haute atmosphère, en revanche, comporte peu d’obstacles et le flux de poussière est quelque peu progressif. Le flux du vent dans l’atmosphère dépend de l’altitude5. Plus l’altitude est élevée, plus la masse des cellules d’air est grande et la haute atmosphère verticale a une échelle spatiale et temporelle plus grande6. La forte demande de mesures du flux du vent concerne la haute atmosphère verticale du point de vue de la sécurité du décollage et de l'atterrissage des avions et du contrôle efficace des centrales éoliennes7,8. Des anémomètres à hélice, des radiosondes, des sodars Doppler et des lidars Doppler sont utilisés pour les mesures du vent9,10,11,12. Les anémomètres in situ nécessitent son installation dans l'espace de mesure, alors qu'ils peuvent modifier lui-même le champ de vent. Le sodar Doppler et le lidar Doppler, quant à eux, peuvent acquérir à distance les informations sur le vent lors de la mesure13,14. Ils sont efficaces pour les mesures de champs de vent sur de longues distances15. Le lidar Doppler est installé dans les aéroports et mesure la haute atmosphère verticale sur une large plage de mesure allant de 200 m à plusieurs kilomètres pendant une longue période de plusieurs minutes conformément à la grande échelle spatiale et temporelle de l'atmosphère16,17,18. Le lidar Doppler monté sur nacelle est installé dans les centrales éoliennes et mesure l’atmosphère horizontale19. La résolution spatiale de la mesure atteint encore plusieurs dizaines de mètres. Les échantillonneurs de poussière conventionnels collectent la poussière pendant un certain temps. Cependant, cette méthode ne peut pas produire d’informations en temps réel sur le transport des poussières. La télédétection est la meilleure option pour détecter la poussière près du sol puisque le champ de vent n'est pas perturbé pendant la mesure20,21. Les mesures à haute résolution et à grande vitesse sont des critères essentiels pour détecter les poussières et les aérosols à proximité du sol. Le lidar Doppler conventionnel actuel ne peut pas capturer le flux de poussière localisé et en constante évolution près du sol, car la basse atmosphère a une petite échelle spatiale et temporelle de quelques secondes et mètres. La vélocimétrie de suivi de particules utilisant des lasers à feuille est également disponible, mais ne fournit pas de résultats quantitatifs. Il présente des limites importantes, telles que la nécessité d’un environnement sombre, et n’est pas pratique pour une utilisation sur le terrain22,23,24. Dans cet article, nous développons un lidar Doppler à faible cohérence (LCDL) pointant horizontalement avec des résolutions spatiales et temporelles élevées de 1 m et 5 ms, respectivement, pour mesurer le flux de poussière local. LCDL est une sorte d’interféromètre optique à faible cohérence. Un signal d'interférence est obtenu uniquement lorsque la différence de longueur du trajet optique entre les trajets de référence et de mesure correspond à la longueur de cohérence. De plus, pour surveiller les changements soudains du flux de poussière, le temps d’intégration est réduit à quelques millisecondes pour une mesure à grande vitesse. Les objectifs de cet article sont : (1) concevoir et développer le concept de système LCDL, (2) vérifier les performances du système LDCL, et (3) appliquer cette méthode à différents diffuseurs et évaluer la distribution de vitesse des diffuseurs.