Tâche 1.2 : Tours de flux et scintillométrie IR
Objectifs
La Tâche 1.2 a pour objectif de développer la mesure des flux d’échanges gazeux et énergétiques entre le sol, la végétation, et l’atmosphère au sein des observatoires participants. Le continuum sol-végétation-atmosphère constitue la partie supérieure de la zone critique, sur laquelle s’exercent les forçages les plus intenses et les plus variables, sur une très large gamme d’échelles spatio-temporelles. Il conditionne ainsi pour une large part le fonctionnement de l’ensemble de la zone critique et des cycles de matières et d’énergie dont celle-ci est le siège.
Méthodes
Les échanges turbulents entre la surface et l’atmosphère sont observés à l’échelle de la parcelle par la méthode des covariances turbulentes (“tour de flux” associant la mesure synchrone à haute fréquence du vecteur vent 3D et des grandeurs scalaires transportées : température, vapeur d’eau, gaz carbonique), et à l’échelle du paysage par scintillométrie le long du trajet d’un faisceau électromagnétique entre un émetteur et un récepteur. A la mesure des flux de chaleur sensible, de vapeur d’eau (chaleur latente), et de gaz carbonique, est associée celle de l’ensemble des autres composantes du bilan d’énergie (flux radiatifs, et conduction dans le sol) permettant une vérification de la fermeture de celui-ci.
Installations sur site
Les premiers sites instrumentés dans le cadre du projet sont le bassin-versant de l’Orgeval (observatoire ORACLE, Ile-de-France), et le site de Naizin (observatoire AGRHYS, Bretagne). Sur l’Orgeval, un scintillomètre infrarouge de longue portée (~5km) est associé à une tour de flux installée sur une parcelle agricole (rotation de maïs, blé, légumineuses) et à une station de bilan radiatif complémentaire échantillonnant une autre culture de la rotation. Le scintillomètre IR est également couplé au scintillomètre micro-onde prototype mis en place dans le cadre de la Tâche 1.1 du projet. Sur le site de Naizin, une tour de flux équipe une parcelle de prairie permanente.
Haut et gauche : émetteurs et récepteurs des scintillomètres infrarouge et micro-onde installés sur l’Orgeval (le pointillé rouge montre la position des récepteurs vue depuis les émetteurs) ; droite : tour de flux sur l’Orgeval (culture de blé en 2015) ; bas : tour de flux sur la parcelle de prairie à Naizin.
Traitement des données
L’estimation des flux turbulents à partir des données brutes issues des capteurs haute fréquence constituant ces dispositifs, requiert des traitements lourds et complexes basés sur la théorie du transport en écoulement turbulent. Des procédures logicielles ont été élaborées pour ce faire et ont permis de produire de premiers résultats, illustrés par les figures ci-dessous montrant respectivement (flux positifs vers l’atmosphère) :
- haut : les cycles journaliers de flux turbulents dans le bassin de l’Orgeval pour les mois d’avril et mai 2015 ;
- bas : les signatures temporelles des flux gazeux sur le site de Naizin, croisant les cycles journalier (axe horizontal) et saisonnier (axe vertical) sur l’année 2016.
Moyennes et variabilité mensuelles (avril et mai 2015) des cycles journaliers de flux turbulents (ETR : évapotranspiration ; H : chaleur sensible ; CO2 : gaz carbonique) dans le bassin de l’Orgeval, à l’échelle d’une parcelle de blé (tour de flux) ou du paysage (scintillomètre IR).
Signatures temporelles des flux de gaz carbonique et de vapeur d’eau sur la parcelle en prairie permanente de Naizin en 2016
Responsables du WP : Bernard Cappelaere et Laurent Prevot