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Le climat à découvert

 | 
Catherine Jeandel
, 
Rémy Mosseri

Troisième partie. Observations et indicateurs climatiques

7. Observation de la composition de l’atmosphère

Michel Ramonet, Paolo Laj et Valérie Thouret

Texte intégral

1La mesure des gaz à effet de serre* est primordiale car elle permet de comprendre la distribution régionale des sources de ces gaz, afin d’identifier les processus responsables des échanges avec les océans et les écosystèmes et leur sensibilité aux changements climatiques.

2À ce jour, le réseau de suivi du CO2 atmosphérique est constitué de 100 à 200 stations réparties de façon très inégale à la surface de la Terre (figure). On distingue les stations où les mesures sont faites sur place de façon continue, et celles où sont prélevés régulièrement des échantillons d’air qui sont expédiés dans des laboratoires pour des analyses précises. Cette dernière catégorie représente plus de la moitié des stations, et a comme avantage de permettre avec une logistique très réduite sur le terrain, des mesures de CO2 mais aussi d’autres gaz à effet de serre (CH4, N2O, SF6, CFCs) et éventuellement la composition isotopique du CO2 et CH4 (cf. II-6). Ces mesures se font dans des laboratoires, équipés de chromatographes en phase gazeuse pour la mesure des concentrations des gaz, et de spectromètres de masse pour les mesures isotopiques. Cependant, la complexité des signaux des sites continentaux, caractérisés par une forte variabilité temporelle des concentrations, nécessite des mesures en continu. Les sites de mesure s’organisent en réseaux nationaux et continentaux, laissant néanmoins de larges zones non couvertes (Afrique, Amérique du Sud, Sibérie, etc.). Les plus fortes densités de stations se trouvent en Amérique du Nord avec le réseau très structuré de la NOAA*/ESRL*, et en Europe où le réseau le plus important est le service d’observation RAMCES*. L’infrastructure de recherche européenne ICOS vise à densifier et coordonner ce réseau, pour établir des protocoles standardisés et garantir une traçabilité des mesures.

3Toutes les mesures de gaz à effet de serre doivent être reliées aux échelles de calibration internationale. Le laboratoire NOAA/ESRL est mandaté par l’Organisation Mondiale de la Météorologie (OMM*) pour maintenir les échelles de référence de CO2, CH4, N2O et SF6. L’OMM organise également tous les deux ans une réunion d’experts pour définir les recommandations à suivre en termes de métrologie, de calibration et de contrôle qualité. Ces derniers fixent les objectifs de précision du réseau international : ±0,1 ppm* pour le CO2, ±2 ppb* pour le CH4, ±0,1 ppb pour le N2O et ±0,02 ppt* pour le SF6.

4La mesure spatiale des concentrations des gaz à effet de serre en est à ses balbutiements, avec les premiers lancements en 2009 de satellites élaborés spécifiquement pour la mesure de CO2 et CH4. Le satellite japonais GOSAT* fournit depuis peu les premières cartes de concentration avec des précisions de l’ordre de 1 %. Les satellites mesurent les colonnes intégrées de gaz à effet de serre, et leur validation est réalisée à l’aide du réseau TCCON qui installe au sol des spectromètres infrarouges FTIR. Le réseau de surface s’étend lui aussi, en raison de l’apparition sur le marché de nouveaux instruments, (CRDS, FTIR, etc.) précis et de maintenance réduite.

Le suivi de l’ozone

5Les observations de profils verticaux d’ozone disponibles à moyen et long terme (par sondes, avions, LIDAR* ou satellites), permettent d’étudier les tendances, en particulier dans la zone de la haute troposphère*/basse stratosphère* (UTLS*), la plus critique vis-à-vis de l’impact radiatif de l’ozone.

6Les réseaux de radiosondages ozone fournissent des mesures une à deux fois par semaine avec une résolution verticale de 5 à 30 mètres entre le sol et 35 km d’altitude depuis le début des années 1970. En complément, certaines de ces stations fournissent aussi des mesures régulières par LIDAR. Ces dernières renseignent sur la distribution verticale de l’ozone entre 10 et 50 km d’altitude avec une résolution verticale de 100 à 200 mètres. Les mesures par LIDAR sont surtout utilisées pour étudier l’ozone stratosphérique et les problématiques liées au « trou d’ozone ».

7Depuis le début des années 1990, plusieurs initiatives ont fait émerger des programmes de mesures régulières à bord d’avions commerciaux pour mieux évaluer la composition de l’UTLS (e.g. MOZAIC-IAGOS). Équipés de capteurs automatiques, les avions commerciaux fournissent des données d’ozone en continu entre le sol et 12 km d’altitude avec une résolution verticale de l’ordre de 20 mètres et une résolution horizontale de l’ordre du kilomètre pour les phases de croisières, entre 9 et 12 km d’altitude. Ces dernières données sont particulièrement précieuses pour évaluer le bilan et les tendances de l’ozone dans cette région critique de l’atmosphère.

8Enfin, les satellites fournissent des données à l’échelle globale mais peu ont la résolution verticale suffisante et des durées d’observations suffisamment longues pour fournir des informations pertinentes permettant d’évaluer les tendances.

Le suivi des aérosols

9Le système d’observation permettant de fournir de manière systématique les informations pertinentes pour mieux contraindre le rôle de l’aérosol atmosphérique sur le climat est par nature complexe (cf. II-7). La communauté internationale recommande la mesure d’une série de variables pertinentes afin de mieux quantifier les effets indirects et de documenter à la fois l’extinction de la lumière par la colonne atmosphérique (photométrie solaire), la répartition des particules le long de la colonne (mesures LIDAR) et les variables intrinsèques à la population d’aérosol. Cependant, le coût des appareils à déployer et la main-d’œuvre nécessaire à leur fonctionnement et à l’analyse des données ne permettent pas encore ces mesures.

Réseau mondial du suivi du CO2 atmosphérique. Les cercles bleus représentent les sites de mesure en continu, alors que les cercles rouges représentent les sites où sont effectués des prélèvements d’air hebdomadaires. Les sites les plus récents ne figurent pas sur cette carte. Tiré de E. Nisbet, Nature, vol. 450, 2007

10Le réseau le plus opérationnel est sans aucun doute le réseau AERONET*, qui mesure l’épaisseur optique des aérosols. Depuis plus de 30 ans, des photomètres ont été déployés sur des centaines de sites et fournissent des informations essentielles sur l’impact de l’aérosol. L’utilisation de photomètres embarqués sur des plateformes satellites permet une comparaison avec les réseaux sols. Pour obtenir des informations sur les profils verticaux et sur les propriétés intrinsèques de la population d’aérosols, on a recours à des mesures LIDAR (essentielles lors de la récente éruption du volcan islandais pour identifier le panache et son extension) à partir de stations sol ou embarquées sur plates-formes satellitaires.

11Une des principales limitations au système d’observation aérosol actuel reste le manque de coordination et d’harmonisation au niveau international. Les coûts d’investissement élevés pour les stations de mesure, le besoin de personnel qualifié mais aussi un manque de stratégie scientifique ont conduit à un réseau d’observation déséquilibré laissant d’immenses zones vides, en particulier dans l’hémisphère Sud et dans la troposphère libre. Comme pour les gaz à effet de serre, les difficultés à assurer la pérennité des observations restent un véritable problème pour l’ensemble de la communauté.

Bibliographie

Références bibliographiques

• M. RAMONET et O. CLOUÉ - « Le suivi à long terme du CO2 atmosphérique », CLEFS CEA, n° 57, 2009.

• J.-P. CAMMAS et al. - « Les programmes aéroportés MOZAIC et IAGOS (1994-2008) », La Météorologie, n° 62, 2008.

Table des illustrations

Légende Réseau mondial du suivi du CO2 atmosphérique. Les cercles bleus représentent les sites de mesure en continu, alors que les cercles rouges représentent les sites où sont effectués des prélèvements d’air hebdomadaires. Les sites les plus récents ne figurent pas sur cette carte. Tiré de E. Nisbet, Nature, vol. 450, 2007
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11385/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 142k

Auteurs

Physicochimiste de l’atmosphère, Chargé de Recherche au CNRS, Responsable du service d’observation RAMCES, LSCE, Gif-sur-Yvette.
michel.ramonet@lsce.ipsl.fr

Physicien au Conseil National des Astronomes et Physiciens, Observatoire des Sciences de l’Univers de Grenoble, Directeur du LGGE, Grenoble.
paolo.laj@lgge.obs.ujf-grenoble.fr

Physico-chimiste de l’atmosphère, Physicienne adjointe au CNAP, Coresponsable du Service d’Observation MOZAIC-IAGOS, Observatoire Midi-Pyrénées, Toulouse.
valerie.thouret@aero.obs-mip.fr

© CNRS Éditions, 2011

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