150 ans de l’OPGC : 150 ans de données sur le climat

Décryptage Océan Atmosphère

Climat, pollution, précipitations, nuages, mais aussi événements extrêmes tels que l’éruption du volcan islandais Eyjafjöll ou les grands feux canadiens : c’est sur tous ces sujets que l’Observatoire de physique du globe de Clermont-Ferrand (OPGC) nous a permis de progresser depuis sa création, il y a 150 ans !

En réunissant des instruments à la pointe de la technologie permettant de mesurer 70 paramètres en continu, L’OPGC est aujourd’hui une référence mondiale qui fournit à la communauté scientifique des données précieuses, tout particulièrement sur l’atmosphère, le climat et ses impacts.

Nous faisons le point avec Jean-Luc Baray et Laurent Deguillaume1 sur les observations et instrumentations de l’OPGC qui ont permis et permettent encore de faire progresser les connaissances en climatologie.

  • 1. Jean-Luc Baray, physicien-adjoint au laboratoire de météorologie physique (LaMP), responsable du site instrumenté CO-PDD regroupant différents sites, notamment celui du Puy de Dôme. Laurent Deguillaume est physicien à l’Observatoire de physique du globe de Clermont-Ferrand (OPGC) et est responsable des mesures long terme portant sur la chimie et la biologie des gouttelettes de nuage effectuées à l'Observatoire du puy de Dôme.

Un observatoire à tous les niveaux

À l’origine, uniquement dédiée aux observations météorologiques la station du sommet du Puy de dôme, inaugurée en 1871, a du très vite s’agrandir pour intégrer davantage d’observations. Désormais, l’OPGC se décline en plusieurs sites. Au sommet du puy de Dôme, à 1.465 mètres d’altitude, le site réalise des observations chimiques et physiques sur les gaz, les aérosols, les nuages ainsi que des observations météorologiques. « Une des particularités de l’observatoire est qu’il permet d’échantillonner de l’air qui s’est transporté sur de longues distances et qu’il a souvent la tête dans les nuages » (L.D). Un peu plus bas, deux sites sont dédiés aux mesures des précipitations et du vent. Tout en bas, la station des Cézeaux, sur le site de l’Université Clermont Auvergne, est spécialisée dans les mesures par télédétection2.

Etant situés à des niveaux d’altitudes différents, les sites réalisent des mesures complémentaires sur plusieurs couches de l’atmosphère. En effet, les concentrations de composants atmosphériques comme les polluants ou les gaz à effet de serre, certains paramètres tels que la température ou la pression de l’air varient en fonction de l’altitude à laquelle on effectue les mesures. Il est donc nécessaire de croiser les résultats pour analyser finement la composition et les dynamiques de l’atmosphère. Aujourd’hui, l’observatoire est devenu une station complète, qui permet d’appréhender l’état de l’atmosphère dans toutes ses dimensions.

Observer et analyser l’état de l’atmosphère pour comprendre les changements climatiques

 

Comment mesure-t-on l’état de l’atmosphère et ses impacts climatiques ? En 2001, l’OPGC démarre ses observations sur les concentrations en CO₂, un des principaux gaz à effet de serre (GES), s’en suivra alors une longue série de mesures sur les composants de l’atmosphère. Grâce à 70 paramètres, les GES, les aérosols mais aussi les nuages sont particulièrement étudiés en raison de leurs potentiels impacts climatiques. Pour cela, l’observatoire est doté d’instruments performants, et d’équipes de recherche pluridisciplinaires, qui assurent un suivi sur le long terme.

Les gaz présents dans l’atmosphère : une grande partie des observations les concerne. Certains d’entre eux, comme l’ozone ou l’oxyde d’azote, peuvent-être considérés comme des polluants, mais sont à courte durée de vie ce qui limite leur impact climatique. À l’inverse, les gaz à longue durée de vie, dont les fameux gaz à effet de serre (GES) comme le dioxyde de carbone (CO₂) ou le méthane (CH₄), sont plus préoccupants pour le climat. Le CO₂ est responsable d’environ 26 % de l’augmentation de l’effet de serre, qui contribue au réchauffement climatique. La concentration de CO₂ augmente dans l’air en grande partie à cause des activités industrielles, de la combustion constante de carbone fossile, de la régression des surfaces végétalisées et des forêts. Cette augmentation est d’ailleurs enregistrée par l’observatoire, sur les deux dernières décennies, le taux de CO₂ a augmenté de 30 ppmv (parties par million en volume), c’est-à-dire que sur un million de m³ d’air, 30 m³ sont occupés par le CO₂, et cette tendance ne cesse d’augmenter. La composition des gaz atmosphériques est mesurée par des analyseurs de gaz, mais aussi grâce à des prélèvements d’échantillons d’air qui sont analysés en laboratoire. Grâce au lidar, par exemple, on peut obtenir les profils de nombreux paramètres comme les couches d’aérosols ou la concentration en vapeur d’eau en fonction de leurs localisations sur la verticale. De plus, l’observatoire est aussi impliqué dans de nombreux projets de recherche sur les gaz à effet de serre, comme par exemple la campagne MAGIC en 2019, un programme de mesure et de cartographie des GES atmosphériques.

  • 2. La télédétection est l'ensemble des techniques utilisées pour déterminer à distance les propriétés d'objets naturels ou artificiels à partir des rayonnements qu'ils émettent ou réfléchissent.
Graphique de l’augmentation de la concentration de CO₂ atmosphérique en fonction du temps. Les moyennes horaires en noir, les moyennes mensuelles en bleu et la droite de régression linéaire en rouge.© OPGC

Les aérosols sont des particules, plus ou moins fines en suspension dans l’air. Leurs sources sont naturelles (volcans, océans, etc.) ou anthropiques (transports routiers, activités industrielles, etc.). Ils peuvent affecter notre santé en s’infiltrant dans nos voies respiratoires. Afin de déterminer leur nocivité, l’OPGC réalise des analyses pour caractériser leur taille et la composition des particules. Les aérosols peuvent également impacter le climat, notamment en interagissant avec le rayonnement du soleil et le rayonnement infrarouge du sol. À la station du puy de Dôme, des analyses physiques sont donc menées sur : le nombre, la concentration, la taille des aérosols et leur capacité à former des gouttelettes et leurs effets sur le climat.

Les nuages : en effet ceux-ci ont un impact sur le climat. Ils laissent peuvent réfléchir le rayonnement du soleil et interagissent également avec le rayonnement infrarouge émis depuis la Terre, ce qui accroît l’effet de serre. Ils peuvent donc induire soit un refroidissement soit un réchauffement des températures. Cela dépend de nombreux paramètres, comme leur altitude ou encore la présence de glace. Deux types d’analyses sont réalisées à la station du puy de Dôme. D’une part, la soufflerie fonctionne comme un « aspirateur à nuages » à grande vitesse en pompant l’air depuis l’extérieur. Elle permet de réaliser des mesures physiques en conditions nuageuses et givrantes en hiver qui servent, par exemple, à tester des sondes embarquées sur avions. D’autre part, l’eau nuageuse est prélevée grâce à un impacteur à nuage situé sur le toit de la station du Puy de Dôme. Le nuage est dirigé dans une boite métallique, les gouttelettes d’eau sont aspirées, impactées sur des surfaces métalliques et collectées dans des bouteilles stériles. Puis, des analyses chimiques et microbiologiques sont effectuées en laboratoire. L’objectif : caractériser la composition et la biodiversité de l’eau nuageuse et étudier les interactions nuages/bio-aérosols.

En effet, les particules d’aérosols peuvent capter la vapeur d’eau autour d’elles et aboutir à la formation de gouttelettes d’eau liquide, formant un nuage. Celui-ci se retrouve alors chargé de composés chimiques et biologiques qui peuvent influer la qualité de l’air et le climat. On retrouve entre quatre et huit mille composants différents dans une gouttelette d’eau nuageuse, allant des polluants aux molécules naturelles, on y retrouve même des microorganismes vivants ! Le nuage peut ensuite disparaitre de deux manières : soit il précipite sous forme de pluie en rabattant son contenant (composés chimiques, microorganismes) vers le sol pouvant de ce fait impacter les écosystèmes. Soit il s’évapore en relâchant ses molécules dans l’air pouvant ainsi impacter la composition atmosphérique. Les mesures sont par la suite utilisées dans le cadre de projets de recherche avec l’objectif de considérer les processus nuageux dans des modèles climatiques globaux. Par ailleurs, le Laboratoire de Météorologie Physique (LaMP), rattaché à l’observatoire, a mis au point des capteurs et imageurs embarqués sur des avions pour réaliser des mesures aéroportées des nuages. Cette technique permet, entre autres, d’obtenir des images des cristaux de glace contenus dans les nuages et les caractériser pour évaluer leurs impacts sur la formation des précipitations et le climat.

La diversité des paramètres atmosphériques étudiés au travers de ces différents objets offre une vision globale et précise de l’état de l’atmosphère.

La plateforme sur le toit du chalet de la station du puy de Dôme, équipée d’instruments de mesure. © OPGC

Une reconnaissance mondiale

La richesse et l’excellence des mesures et des instruments de l’OPGC lui ont valu son intégration au Global Atmosphéric Watch (GAW) en 2015, un réseau chargé de la surveillance du climat de la planète. Décerné par l’Organisation météorologique mondiale (OMM), ce label définit les stations scientifiques de référence, dont les données sont utilisées pour l’étude de l’atmosphère, intégrées dans les modèles climatiques globaux et pour établir les rapports du Groupe d'experts Intergouvernemental sur l'Evolution du Climat (GIEC). L’observatoire participe aussi aux mesures des gaz à effet de serre pour l’infrastructure européenne Integrated Carbon Observation System (ICOS) qui coordonne les observations sur le climat et l’environnement.

Depuis 150 ans, l’OPGC s’est imposé comme une référence mondiale dans l’étude de notre atmosphère. Il est une brique de base sur laquelle s’appuient de nombreux projets de recherche pour comprendre l’évolution du climat.

Pour mieux comprendre l’effet de serre

Les gaz à effet de serre interceptent et réémettent une partie du rayonnement infrarouge vers la Terre. A l’état d’équilibre ce phénomène naturel permet de réguler la température à 15°C. Néanmoins, l’augmentation des émissions de GES atmosphériques modifie cet équilibre en augmentant le rayonnement infrarouge, qui entraine de manière générale le réchauffement des températures. D’autres paramètres, tel que les aérosols ou certains nuages peuvent modifier l’effet de serre.

Schéma simplifié du phénomène de l’effet de serre.© L.Lahmar

Contact

Jean-Luc Baray
Laboratoire de Météorologie Physique (LaMP)/OPGC
Laurent Deguillaume
Laboratoire de Météorologie Physique (LaMP)/OPGC