Stratéole 2 : un tour du monde en ballons en 85 jours

Décryptage Campagne Océan Atmosphère

Si c’est en 80 jours que Phileas Fogg, le célèbre héros de Jules Verne, a fait le tour du monde, c’est d’une période à peine plus longue qu’auront eu besoin les ballons de la mission Stratéole-2 pour faire plusieurs fois le tour de la planète.  L’objectif ? Tenter d’éclaircir certaines zones d’ombre qui entravent notre compréhension fine de l’atmosphère et de son rôle sur le climat de la Terre. Une mission scientifique unique, qui embarque, sur des ballons en altitude, des instruments minutieusement conçus.

Comment mieux prédire le changement climatique en prenant mieux en compte les phénomènes atmosphériques ?  Pourquoi, et comment, utiliser des ballons ? Avec l’aide d’Albert Hertzog (Responsable du projet et PI, LMD), Richard Wilson (co-responsable, LATMOS), François Ravetta (PI de l’instrument BeCOOL, LATMOS), Jean-Baptiste Renard (PI de l’instrument LOAC, LPC2E) et Vincent Mariage (ingénieur chef de projet, instrument BeCOOL, LATMOS), nous répondons à ces questions.

Stratéole 2

Stratéole-2 est un programme d’observation de la dynamique de l’atmosphère dans la zone intertropicale développé en partenariat entre le CNRS et le CNES. De 2019 à 2025, trois campagnes de mesures sont prévues. Contrairement à la précédente qui a fait office de validation, la deuxième campagne débutée mi-octobre 2021 est à vocation scientifique. Celle-ci va ainsi permettre de récolter des informations précieuses pour l’étude des phénomènes atmosphériques et leurs rôles dans le climat.

Le programme utilise des ballons pressurisés stratosphériques remplis d’hélium de 11 à 13 mètres de diamètre. Pendant 3 à 4 mois, ils sont transportés par les vents tout autour de la ceinture tropicale. Propulsés à environ 20 kilomètres au-dessus de nos têtes, certains ballons peuvent parcourir jusqu’à 80 000 kilomètres !

Cet itinéraire n’est pas choisi au hasard ! Au niveau des tropiques, l’interface entre la troposphère (de 0 à 20 km d’altitude) et la stratosphère (de 20 à 50 km d’altitude) est une zone stratégique pour observer les phénomènes et les composés qui façonnent notre atmosphère. Les échanges et les mouvements d’air entre ces deux couches atmosphériques y sont importants et influent sur l’ensemble de la planète. Les caractéristiques particulières des tropiques en font une région d’intérêt pour comprendre toute la variabilité climatique.

Mais pourquoi utiliser des ballons atmosphériques ? L’ensemble des processus observés sont de petites échelles (de l’ordre du minuscule cristal de glace pour les nuages jusqu’à la dizaine de kilomètres pour les pour les interactions des nuages avec la dynamique atmosphérique). Cela implique qu’il faille aller les observer de près et dans leur milieu naturel. Le problème, c’est que la région des tropiques est difficilement accessible. Sans compter que les méthodes classiques d’observation par satellites, par prélèvement, par avion, ou par simulation mathématiques sont insuffisantes. C’est donc là que les ballons interviennent ! Ils sont les seuls à pouvoir observer en temps réel ces phénomènes au cœur même de l’atmosphère. « C’est un mode d’échantillonnage tout à fait original, qui n’est pas obtenu autrement et permet des résultats d’une finesse inégalée » (A.Hertzog).

Une équipe sur le point de procéder au lancement d’un ballon embarquant l'instrument BeCOOL.© Vincent Mariage et François Ravetta

Les enjeux de ce tour du monde 

Plus d’une dizaine de paramètres sont mesurés grâce aux instruments embarqués dans les ballons. Les données obtenues sont essentielles pour répondre aux objectifs scientifiques du projet. Certains nous permettront de mieux comprendre les évolutions du climat :

  • Comprendre la dynamique de la basse atmosphère :

    Tous les deux ans environ, on observe une oscillation du vent au niveau de l’équateur dans la basse stratosphère. Cette oscillation, appelée oscillation quasi-biennale (QBO), influe sur le climat, car elle impacte la circulation générale de la stratosphère et de la haute troposphère à l’échelle du globe (variation de direction des vents, déplacement des gaz, des nuages, etc.). Des mesures standards de pression, de température et de position sont indispensables pour déterminer précisément le rôle des ondes atmosphériques responsables de cette QBO.

    Outre la QBO, les processus responsables du transport vertical des masses d'air entre troposphère et stratosphère restent largement inconnus. La plupart de nos connaissances actuelles sont basées sur des études réalisées à partir de modèles numériques, qui souffrent d'incertitudes importantes dans les tropiques et représentent à peine les processus de petite et moyenne-échelle : la convection profonde, la turbulence et le mélange associé, les ondes atmosphériques et leur impact sur la physique des nuages d’altitude (cirrus). Tous ces processus seront étudiés à partir des mesures réalisées à bord des ballons Strateole-2.

 

  • Analyser les composés de l’atmosphère : La manière dont les gaz à effet de serre (GES) sont transportés, les caractéristiques des aérosols et de la formation des nuages sont des processus atmosphériques qui peuvent moduler le réchauffement climatique. Pour obtenir des profils de ces composés, des instruments sont déployés jusqu’à 2 km sous les ballons. Par exemple, un mini compteur d’aérosols, appelé LOAC, de seulement 800 g, mesure la concentration en particules fines et leurs caractéristiques (nombre, distribution en taille, nature, typologie).

 

  • Évaluer l’impact des différents facteurs sur le climat : Estimer le forçage radiatif1 des différents composés de l’atmosphère permet de quantifier leur impact sur le climat. Par exemple, les gaz à effet de serre constituent un forçage radiatif positif car ils absorbent les rayons infrarouges émis par la Terre. Ils réchauffent la surface par effet de serre. À l’inverse, les aérosols ont tendance à provoquer un refroidissement de la Terre en réfléchissant les rayons solaires. Les nuages des basses couches modulent l’albédo de la Terre en réfléchissant l’énergie solaire vers l’espace ; ils contribuent à refroidir la planète. Au contraire, les cirrus, nuages froids de haute altitude, sont relativement transparents au rayonnement solaire, mais ils contribuent significativement à l’effet de serre. Le lidar BeCOOL permet de caractériser les propriétés géométriques et optiques des cirrus. Il est accompagné d’un bolomètre qui mesure les flux infrarouges montants et d’un profileur de température. Ce couplage d’instruments permet d’étudier les conditions de formation et le forçage radiatif des cirrus.

 

  • Améliorer la fiabilité des modèles climatiques actuels : Les incertitudes des prévisions climatiques sont très liées à nos lacunes sur les processus atmosphériques. « L’objectif ultime est d’améliorer notre connaissance de la dynamique de l’atmosphère, en particulier les phénomènes de moyenne ou de petite échelle, qui sont mal représentés dans les modèles climatiques actuels. On espère ainsi contribuer à améliorer la paramètrisation des ondes de gravité dans les modèles climatiques de la Terre, ce qui permettra par la suite d’avoir des simulations plus fiables sur le siècle à venir. » (A.Hertzog)

L’état de l’atmosphère et du système climatique dépend de multiples facteurs, souvent difficiles à observer. Les scientifiques de Stratéole-2 se sont donc heurtés à des défis techniques de taille.

  • 1. La notion de forçage radiatif (en W/m²) est utilisée pour quantifier comment un paramètre module l’équilibre radiatif entre le rayonnement solaire absorbé et le rayonnement infrarouge émis par le système climatique. Un paramètre qui réchauffe le climat aura un forçage radiatif positif, tandis qu’un paramètre qui le refroidit aura un forçage radiatif négatif.

De la conception au lancement des ballons, les équipes techniques sont sur le front

Lorsque l’on pense aux recherches scientifiques, on s’imagine souvent une équipe de chercheurs. Et pourtant, les ingénieurs et les techniciens ont un rôle crucial sur le terrain et représentent souvent plus de la moitié des équipes. Vincent Mariage, ingénieur en charge de l’instrument LiDAR BeCOOL de Stratéole-2, nous partage ses activités :

  • En amont, il participe à la conception de l’instrument en assurant son cahier des charges, le suivi de sa fabrication et sa logistique (stockage, transport, etc.). Puis il réalise toute la série de tests en laboratoire et sur le terrain pour garantir le bon fonctionnement du LiDAR.
  • Sur le terrain, il teste une dernière fois l’instrument en conditions réelles et participe à l’intégration finale de l’instrument dans le ballon.
  • En aval, il réalise un bilan du bon fonctionnement de l’instrument pour y apporter de possibles améliorations.

En bref, les équipes techniques sont chargées d’assurer la viabilité et la logistique du projet. Des éléments essentiels dont la recherche ne pourrait se passer !

Les défis du projet

Faire voler des ballons en altitude durant une longue période n’est pas une mince affaire !

En effet, les instruments sont soumis à des températures extrêmes allant jusqu’à -80 °C. Pour assurer leur survie, la nacelle ZEPHYR a été conçue pour isoler les instruments de ces températures extrêmes, les maintenir entre -30 et +30 °C et leur fournir l’énergie nécessaire grâce à des panneaux solaires. ZEPHYR utilise aussi une technique de téléphonie par satellite pour transmettre les données mesurées jusqu’à la station de contrôle au sol. Autre difficulté, les ballons ne peuvent pas emporter plus de 10 kg d’instrumentation. Il y a donc fallu développer des instruments ultra légers. Par ailleurs, chaque ballon embarque des associations de 2 ou 3 instruments seulement.

Néanmoins, qui dit défis, dit opportunités !  « Nous sommes dans des conditions pré-spatiales, il faut que les instruments résistent trois mois dans les airs, sans avoir la possibilité d’intervenir dessus ni de les corriger en cas de problème » (J-B.Renard). Les défis relevés par Stratéole-2 permettent donc de faire mûrir des technologies pour le domaine spatial.

Derniers préparatifs sur la nacelle Zéphyr avant un lâcher. © A.Hertzog

Les origines de Stratéole-2

Stratéole est un projet de très longue haleine. Les premières idées apparaissent après la découverte du trou dans la couche d’ozone en Antarctique à la fin des années 1980.

En 2005, des premières mesures météorologiques sont réalisées à l’aide de ballons qui voleront pendant plusieurs mois en Antarctique. Les premiers résultats scientifiques tombent : la technologie des ballons s’avère être une réussite en permettant des observations de haute précision, qui permettent de caractériser les mouvements atmosphériques de la zone étudiée !

En 2014, le projet est ensuite réorienté vers les tropiques : Stratéole-2 voit le jour. Une première phase de maturation s’achève au bout de cinq années de préparation. Ainsi, de 2019 à 2025, trois campagnes de lâcher de ballons auront lieu pour explorer notre atmosphère.  Les ballons lâchés lors de ces trois compagnes qui feront le tour des tropiques, une zone particulièrement intéressante pour y observer les phénomènes atmosphériques.

Il faudra donc attendre encore quelques années pour savoir si Stratéole-2 lèvera le voile sur les zones floues de notre atmosphère. Mais une chose est sûre : « C’est le projet majeur de la décennie en matière d’étude atmosphérique » (J.B.R) qui apportera des données d’une finesse inégalée et essentielles pour la compréhension de l’évolution de notre climat.

Pour en savoir plus

Pour visualiser la trajectoire des ballons : Strateole 2 (polytechnique.fr)

Communiqué de presse :  presse.cnes.fr | LANCEMENT DE LA CAMPAGNE BALLONS STRATEOLE-2 DEPUIS LES SEYCHEL

Contact

Albert Hertzog
Laboratoire de Météorologie Dynamique (LMD)
François Ravetta
Le Laboratoire Atmosphères, Observations Spatiales (LATMOS/IPSL)
Richard Wilson
Le Laboratoire Atmosphères, Observations Spatiales (LATMOS/IPSL)
Vincent Mariage
Le Laboratoire Atmosphères, Observations Spatiales (LATMOS/IPSL)