Une nouvelle méthodologie de mesure de l'ozone troposphérique pour améliorer la prévision de la qualité de l'air (sondeur IASI)

- communiqué de presse

Jeudi, 30 octobre 2008

Grâce à la nouvelle génération d'instruments embarqués sur satellites et à une méthode d'analyse des données mise au point par des chercheurs du Laboratoire inter-universitaire des systèmes atmosphériques (LISA, CNRS / Université Paris 12 / Université Paris 7), il est désormais possible de mesurer précisément les concentrations d'ozone troposphérique. Ce résultat, qui a fait le "Editor's highlight" des Geophysical Research Letters, va permettre d'améliorer les modèles de prévision de la qualité de l'air mais aussi les modèles climatiques.

L'ozone (O3) est une espèce clé de la troposphère(1), non seulement un puissant gaz à effet de serre, mais aussi un polluant produit en grandes quantités lors des épisodes de smog photochimique(2). De par son pouvoir oxydant, il est en effet néfaste pour la santé (irritation des voies respiratoires et affection du système cardiovasculaire) et il affecte la chimie de nombreuses autres espèces présentes en trace dans la troposphère, notamment en réagissant avec certains composés organiques pour produire des espèces toxiques.
Les concentrations d'ozone de surface sont donc mesurées en continu par les réseaux de surveillance de la qualité de l'air. Indispensables au suivi de la pollution locale, ces observations s'avèrent cependant insuffisantes pour prévoir le développement d'épisodes de pollution ou suivre le transport à longue distance de ce gaz, en raison d'une couverture spatiale horizontale sporadique et parfois hétérogène. Concernant les concentrations d'ozone en altitude, ce sont les mesures fournies par des ballons sondes ou des avions qui sont utilisées, mais leur nombre reste là encore très insuffisant.

Dans ce contexte, les observations satellitaires s'avèrent très utiles, car leur couverture spatiale est large et leur résolution élevée (de l'ordre de la dizaine de kilomètres), mais également parce qu'elles pourraient permettre de surveiller les concentrations d'ozone à quelques kilomètres d'altitude.
Jusqu'à présent, les observations d'ozone par satellite étaient majoritairement focalisées sur les problématiques liées à l'ozone stratosphérique car seules des observations soit de la colonne totale(3), à partir de mesures UV-visible, soit uniquement de la stratosphère étaient disponibles. Or, il est difficile d'extraire des données de la colonne totale l'information sur l'ozone troposphérique dont les concentrations sont très inférieures à celles de l'ozone dans la stratosphère (environ 90% de l'ozone se trouve dans la stratosphère).
Mais depuis peu, une nouvelle génération d'instruments satellitaires utilise le domaine infrarouge pour sonder l'atmosphère par visée au nadir (i.e. vers le bas) ce qui lui confère un maximum de sensibilité dans la moyenne troposphère. L'instrument IASI (Infrared atmospheric sounding interferometer) développé par le CNES et mis en orbite en octobre 2006 à bord du satellite européen MetOp-A en est un exemple avec sa couverture spatiale importante, sa fréquence de passage assez élevée (couverture du globe 2 fois par jour) et surtout sa bonne résolution horizontale à basse altitude (taille du pixel au sol de 12x12 km).

Pour une utilisation optimale de cet instrument pour la surveillance de la qualité de l'air, il fallait cependant disposer d'une méthode d'analyse adaptée, permettant d'avoir une sensibilité maximale dans les couches atmosphériques les plus basses et ainsi d'extraire de la mesure le maximum d'information. C'est chose faite aujourd'hui grâce à une équipe de chercheurs du LISA qui a mis au point et optimisé une telle méthode. Ils ont ainsi pu restituer pour la première fois les colonnes troposphériques journalières d'ozone (encore partielles, entre 0 et 6 km d'altitude) que l'Europe a connu durant la vague de chaleur de juillet 2007. Ils ont également pu valider leur méthode en comparant leurs résultats à des sondages d'ozone (ballons météorologiques) réalisés à l'époque.

Champs d'ozone au-dessus de l'Europe le 17 juillet 2007, modélisés par CHIMERE (à gauche) et mesurés par IASI (à droite). De fortes quantités d'ozone, bien reproduites par le modèle, sont observées sur l'Europe de l'Est. © LISA Enfin, la comparaison de ces résultats avec le modèle de prévision de la qualité de l'air CHIMERE montre un bon accord général : les principales structures spatiales de pics d'ozone sont bien prédites par ce modèle (voir figure), même si des différences significatives montrent sa difficulté à reproduire les champs d'ozone à l'échelle de l'Europe.

Ces premiers résultats démontrent le fort potentiel des observations satellitaires infrarouge pour le suivi des concentrations d'ozone troposphérique. Ils ouvrent ainsi la voie à une amélioration des modèles climatiques et des modèles opérationnels des systèmes de prévision de la qualité de l'air, dont le système français actuel PREVAIR et les futurs systèmes de prévision à l'échelle de l'Europe qui sont un des enjeux majeurs du programme Kopernikus(4).

Ce travail a bénéficié du soutien du pôle thématique ETHER (INSU/CNRS et CNES) pour la mise à disposition des données IASI d'EUMETSAT.

Note(s): 
  1. La troposphère est la partie de l'atmosphère terrestre située entre la surface du globe et une altitude d'environ 8 à 18 kilomètres, la stratosphère étant la partie située au-dessus, entre 8-20 et 40-60 km d'altitude.
  2. Le smog photochimique est une brume bleutée à roussâtre constituée surtout de particules fines et d'ozone dans la troposphère.
  3. Les observations de la colonne totale ne fournissent que des données globales du contenu total de toute la colonne d'air.
  4. Initié par l'Union européenne en 2000, le programme GMES (Global Monitoring for Environment and Security) a été rebaptisé « Kopernikus » en l'honneur de l'astronome Copernic. L'objectif de ce programme est le développement de services opérationnels à destination des décideurs politiques et institutionnels, des entreprises et des citoyens sur l'état de l'environnement (gaz à effet de serre, qualité de l'air, couche d'ozone, aérosols...) afin notamment d'améliorer la sécurité des citoyens européens.
Pour en savoir plus: 
Source(s): 

Eremenko, M., G. Dufour, G. Foret, C. Keim, J. Orphal, M. Beekmann, G. Bergametti, and J.-M. Flaud (2008), Tropospheric ozone distributions over Europe during the heat wave in July 2007 observed from infrared nadir spectra recorded by IASI, Geophys. Res. Lett., 35, L18805, doi:10.1029/2008GL034803.

Contact(s):
  • Jean-Marie Flaud, LISA/IPSL
    Jean-Marie [dot] Flaud [at] lisa [dot] u-pec [dot] fr, 01 44 96 43 78

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