Premiers suivis satellitaires quotidiens de l'ozone troposphérique à l'échelle régionale des mégapoles : applications aux mégapoles chinoises (sondeur IASI)

Lundi, 7 juin 2010

De nouvelles analyses de données IASI (Infrared atmospheric sounding interferometer) ont été menées par une équipe de chercheurs du Laboratoire interuniversitaire des systèmes atmosphériques (LISA, CNRS / Université Paris-Est Créteil / Université Paris-Diderot) sur des données obtenues en 2008 au-dessus de trois mégapoles chinoises. Les résultats obtenus permettent de confirmer qu'il est possible de suivre depuis l'espace, c'est-à-dire à des échelles spatiales inaccessibles aux autres moyens d'observation (mesures au sol, aéroportées ou ballons), les concentrations quotidiennes d'ozone de la basse troposphère, entre 0 et 6 km d'altitude. Le suivi satellitaire de la qualité de l'air serait-il pour bientôt ?

Suite à la mise en orbite en octobre 2006 à bord du satellite européen MetOp-A de l'instrument français IASI développé par le CNES et grâce à une méthode d'analyse des données mise au point par des chercheurs du LISA, une équipe de ce laboratoire avait pu restituer pour la première fois les concentrations troposphériques journalières d'ozone entre 0 et 6 km d'altitude que l'Europe avait connu durant la vague de chaleur de juillet 2007, montrant qu'il était possible de mesurer précisément et quotidiennement depuis l'espace, quand les conditions thermiques sont favorables, en particulier au printemps et en été, les concentrations d'ozone de la basse troposphère, là où la qualité de l'air peut directement affecter notre santé (communiqué de presse du 30-10-2008).
Afin de confirmer le bien-fondé de cette méthode, les chercheurs du LISA se sont penchés sur les mesures réalisées par IASI en 2008 au-dessus de trois mégapoles chinoises : Pékin, Shanghai et Hong Kong.

L'analyse de ces mesures leur ont permis d'étudier le cycle saisonnier des concentrations mensuelles de l'ozone troposphérique au-dessus de ces trois régions.
Si le cycle saisonnier classique de l'ozone troposphérique(1) au-dessus des grandes villes européennes ou nord-américaines se caractérise par un minimum en hiver en raison de la faible insolation, puis par une augmentation à partir de mars jusqu'à un maximum en été (insolation maximale, situation anticyclonique favorisant une stagnation des masses d'air, absence de pluie...) et enfin par une diminution à l'approche de l'hiver, il en va autrement en Asie et en particulier en Chine. Dans ces régions en effet, comme l'ont montré des travaux antérieurs basés sur des mesures réalisées au niveau des masses d'air de surface (au sol ou à bord de ballons sonde ou d'avions), ce cycle est perturbé par la mousson estivale : en apportant dans les basses couches de l'atmosphère de l'air propre (faiblement chargé en ozone et précurseurs d'ozone) en provenance de l'océan Pacifique, la mousson fait diminuer la pollution.
Variations mensuelles de la colonne d'ozone entre 0 et 6 km, observées pendant l'année 2008 et exprimées en unités Dobson. La droite en pointillé représente la valeur annuelle moyenne de la colonne d'ozone dans la bande de latitude correspondante.
© LISA, INSU/CNRS.
Or, les analyses des données IASI mettent effectivement en évidence une diminution de la concentration d'ozone au-dessus de ces trois agglomérations à partir du mois de juin et jusqu'en août, diminution qui reflète bien l'impact sur la qualité de l'air de la mousson estivale comme les chercheurs ont pu le confirmer après étude du transport des masses d'air à l'aide de modèles. Ces analyses indiquent en outre que cet effet est plus marqué sur la côte sud de la Chine (Hong Kong et Shanghai), par où arrive la mousson : dans ces deux régions, les concentrations d'ozone sont aussi basses durant l'été que durant l'hiver, ce qui réduit les problèmes liés à la pollution estivale par l'ozone, mais elles augmentent à nouveau en automne (septembre, octobre) après la période de la mousson, avant de diminuer à l'arrivée de l'hiver.
Ces résultats montrent que les observations de l'ozone depuis l'espace sont suffisamment sensibles aux basses couches de l'atmosphère pour permettre de mesurer l'effet de la mousson et donc de suivre le cycle saisonnier de l'ozone et ce à des échelles spatiales non accessibles par les autres moyens d'observation.

Le suivi journalier des concentrations d'ozone a également permis aux chercheurs de mettre en évidence des pics de concentration cohérents avec les indicateurs de qualité de l'air distribués par le ministère de l'écologie chinois et de montrer :

  • qu'en hiver, ceux-ci sont liés à des intrusions d'air stratosphérique plus riche en ozone jusque dans les plus basses couches de la troposphère, comme l'indique leur analyse du transport des masses d'air,
  • alors qu'au printemps et en été, ils sont vraisemblablement dus aux activités humaines, comme le montre la bonne correspondance observée entre la distribution spatiale de l'ozone et la densité de population.


En haut : Variations journalières de la colonne d'ozone entre 0 et 6 km, mesurée au-dessus de Pékin à environ 10h du matin (heure locale) pendant le mois d'avril 2008 et exprimées en unités Dobson.
En bas : distribution spatiale des observations IASI (pixels de mesure, en gris quand il y a des nuages) pour trois jours de fortes valeurs d'ozone, à comparer avec la densité de population (à droite).

© LISA, INSU/CNRS.

Les instruments satellitaires actuels semblent donc être capables, lorsque les conditions météorologiques sont favorables, de fournir un signal suffisamment clair en provenance de la basse atmosphère pour apporter des informations sur la qualité de l'air.

Note(s): 
  1. L'ozone troposphérique n'est pas directement produit par les activités humaines. Il est issu de réactions photochimiques (activées par le soleil) impliquant des composés dits des précurseurs de l'ozone qui eux sont d'origine anthropique, tels les oxydes d'azote et de nombreux composés organiques volatiles comme les hydrocarbures.
  2. Unité de mesure du contenu en ozone d'une colonne atmosphérique. 1 Dobson (Dobson unit ou DU) correspond à la hauteur d'une colonne fictive de 1 cm2 de section qui contiendrait 2,69 1016 molécules d'ozone et serait placée dans des conditions "normales" de température et de pression (P=1atm et T=0°C). Exprimer en unité Dobson le nombre de molécules d'ozone contenues dans une colonne réelle revient à donner la hauteur, exprimée en multiple de la hauteur de la colonne fictive (soit de 1/100e mm), qu'occuperaient toutes ces molécules si elles étaient placées dans un tube de 1 cm2 de section et soumises à des conditions normales de température et de pression.
Source(s): 

Dufour, G., Eremenko, M., Orphal, J., and Flaud, J. M., IASI observations of seasonal and day-to-day variations of tropospheric ozone over three highly populated areas of China: Beijing, Shanghai, and Hong Kong. Atmos. Chem. Phys, 2010, 10, 3787-3801.

Contact(s):
  • Gaëlle Dufour, LISA/IPSL
    gaelle [dot] dufour [at] lisa [dot] u-pec [dot] fr, 01 45 17 65 46

La reprise des actualités du site est autorisée avec la mention "Source : Actualités du CNRS-INSU" et un lien pointant sur la page correspondante.