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L’ozone troposphérique continue d’augmenter !

Résultat scientifique Océan Atmosphère

Ayant analysé des données IAGOS, des chercheurs provenant de plusieurs laboratoires françaisLaboratoire d’aérologie (LA/OMP, Université Paul Sabatier / CNRS), Centre national de recherches météorologiques (CNRM, Météo-France / CNRS) et Observatoire Midi-Pyrénées (CNRS / IRD / UUPS / Météo-France / CNES) ont pu mettre en évidence les cycles saisonniers de l’ozone (août 1994 - décembre 2013) et du monoxyde de carbone (décembre 2001 - décembre 2013), lesquels diffèrent selon que l’on considère la haute troposphère ou la basse stratosphère. Les chercheurs ont également pu montrer que les concentrations en ozone ont tendance à augmenter dans la haute troposphère, alors que celles en monoxyde de carbone ont tendance à baisser dans la haute troposphère et la basse stratosphère.

Carte
Carte des vols commerciaux effectués, au cours des vingt dernières années, par les avions équipés d'instruments de mesure de la composition chimique de l'atmosphère. Chaque couleur représente une compagnie aérienne différente. L’ozone est, de toute évidence, l'un des composés traces les plus importants de l’atmosphère. Le paradoxe de cette molécule est d’en voir la concentration baisser dans les hautes couches de l’atmosphère, mais augmenter dans les basses couches, sous l’effet des activités humaines. Bien que distincts, ces deux problèmes ont des conséquences nuisibles à l’environnement, en matière de climat et de qualité de l’air. L’ozone troposphérique est le troisième gaz à effet de serre d’origine anthropique (après le dioxyde de carbone et le méthane, au coude-à-coude avec le protoxyde d'azote), ainsi qu'un polluant atmosphérique dangereux pour la santé humaine, préjudiciable pour la productivité des cultures et nocif pour les écosystèmes. Il s'agit d'un polluant secondaire produit par réactions photochimiques à partir de précurseurs divers (oxydes d’azote, monoxyde de carbone, méthane et autres composés organiques volatils plus réactifs).
figure 2
Carte des régions les plus échantillonnées via la plateforme d'observation IAGOS, qui sont au cœur de la présente étude. Dans le cadre de l'infrastructure de recherche IAGOS (In-service aircraft for a global observing system), l'ozone (O3) et le monoxyde de carbone (CO) font l'objet de mesures de routine - respectivement depuis 1994 et 2002 - le long des douze premiers kilomètres d'altitude. IAGOS offre donc une base de données in situ, à hautes résolutions spatiale et temporelle, particulièrement dense autour de la tropopause. Il s'agit d'une région critique où l'ozone se comporte comme un puissant gaz à effet de serre.

Grâce à plusieurs compagnies aériennes, partenaires du programme au cours des 24 dernières années (Air France, Lufthansa, Austrian Airlines, Sabena, Iberia, Cathay Pacific, China Airlines, Hawaiian Airlines), dans les moyennes latitudes de l'hémisphère Nord, les données couvrent un grand intervalle de longitudes. Elles s'étendent de la côte ouest de l'Amérique du Nord (125 °W) à la côte de l'Asie orientale (135 °E) et, plus récemment, au nord du Pacifique. De même, différentes régions tropicales sont fréquemment échantillonnées, telles que la côte est de l’Amérique du Sud, l'Afrique centrale et australe, l'Asie du Sud-Est et le Continent maritime occidental.

 

figure 4
Moyennes mensuelles (trait fin) et annuelles (trait épais, ponctué) du rapport de mélange en ozone dans la haute troposphère, dans les huit régions indiquées sur la carte. Comme indicateur de variabilité, l'aire en couleur représente 90 % des valeurs observées au cours de chaque mois. Aujourd'hui, l’étude menée en collaboration entre le LA et le CNRM rend disponible un nouvel ensemble de climatologies pour l’ozone et pour le CO . Celles-ci caractérisent notamment deux couches distinctes : la haute troposphère et la (très) basse stratosphère. Aux moyennes latitudes de l'hémisphère Nord, cycles saisonniers et tendances ont pu être calculés au-dessus de huit régions fréquemment échantillonnées. Ils révèlent des caractéristiques de grand intérêt pour des utilisations telles que la validation des modèles numériques globaux.

Les cycles saisonniers montrent généralement un maximum d'ozone en été et un maximum de CO au printemps dans la haute troposphère. Ces résultats affichent donc un contraste avec la basse stratosphère, où l'on observe un maximum printanier systématique en ozone et une quasi-absence de cycle saisonnier en CO. Par ailleurs, cette étude met en évidence des variabilités régionales dans la haute troposphère, à savoir :

  • concernant l'ozone, un gradient d'ouest en est pendant l'été boréal, à raison de 15 ppb supplémentaires en Russie centrale par rapport à l'Amérique du Nord,
  • concernant le CO, un gradient systématique d'ouest en est, de 60 à 140 °E, atteignant les +5 ppb/10°E au printemps et en été,
  • sur l'Asie du Nord-Est, un maximum printanier en CO prolongé jusqu'en été,
  • sur l’ouest de l'Amérique du Nord, un maximum printanier en ozone se substituant aux maxima estivaux fréquemment rencontrés..

En été, les deux régions en bordure méditerranéenne (l'ouest du bassin Méditerranéen et le Moyen-Orient) voient leur haute troposphère particulièrement impactée par des intrusions stratosphériques subsidentes, et leur basse stratosphère par des intrusions troposphériques depuis les tropiques. En l'occurrence, dans la basse stratosphère du Moyen-Orient, l'impact du transport de polluants depuis l'Asie du Sud a pu être souligné.
Près de 20 années de mesures de l'ozone - et 12 années pour le CO - ont alimenté une base de données à présent unique, pour ce qui est de détecter des tendances dans la haute troposphère – basse stratosphère (UTLS en anglais). Les tendances de l'ozone en haute troposphère sont positives et statistiquement significatives dans la plupart des régions, variant de +0,25 à +0,45 ppb par an, caractérisées par l'augmentation des valeurs les plus faibles enregistrées chaque mois. Par contre, aucune tendance significative en ozone n'est détectée dans la basse stratosphère. Les tendances du CO, quant à elles, sont presque toutes négatives et statistiquement significatives dans chacune des deux couches. De l’ordre de -1,37 à -0,59 ppb par an, elles reflètent ainsi l'impact de la législation sur les émissions anthropiques.

Source(s):

Cohen, Y., Petetin, H., Thouret, V., Marécal, V., Josse, B., Clark, H., Sauvage, B., Fontaine, A., Athier, G., Blot, R., Boulanger, D., Cousin, J.-M., and Nédélec, P.: Climatology and long-term evolution of ozone and carbon monoxide in the upper troposphere–lower stratosphere (UTLS) at northern midlatitudes, as seen by IAGOS from 1995 to 2013, Atmos. Chem. Phys., 18, 5415-5453, 2018.

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Yann Cohen
LA/OMP
Valérie Thouret
Enseignante Chercheuse de l'Université de Toulouse Paul Sabatier au laboratoire d'aérologie (LAERO-OMP)
Virginie Marécal
CNRM