Méthodes physiques en télédétection Transfert radiatif Télédétection de l’atmosphère Gaëlle Dufour Chargée de recherche CNRS Laboratoire Inter-universitaire.

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1 Méthodes physiques en télédétection Transfert radiatif Télédétection de l’atmosphère Gaëlle Dufour Chargée de recherche CNRS Laboratoire Inter-universitaire des Systèmes Atmosphériques gaelle.dufour@lisa.u-pec.fr

2 Plan du cours Atmosphères et sondage  Généralités  Les grandes questions de l’atmosphère terrestre  Le sondage à distance Traitement des observations  Le transfert radiatif  Les méthodes d’inversion L’observation satellitaire  La recherche aujourd’hui: états des lieux  L’avenir: systèmes couplés modèles/observations

3 Atmosphère et sondage : généralités

4 Évolution de l’atmosphère terrestre Formation de la Terre: 4.5 milliards d’années Dégazage intensif  atmosphère primitive:  Azote + CO 2 + H 2 O + traces (H 2, méthane, ammoniac, dioxyde de soufre, chlorure d’hydrogène) Forçage radiatif (« effet de serre ») du CO 2  température telle que H 2 O solide, liquide, gaz.  H 2 O condensation  océans  CO 2 dissolution  carbonate sédimentaire (10 5 fois sup. atmosphère)  N 2 inerte  accumulation dans l’atmosphère au cours du temps géologique Présence de méthane et d’ammoniac  évolution de la matière organique dans les océans Forte augmentation de O 2  formation de O 3. ATMOSPHERE ACTUELLE

5 Profil de pression - densité

6 La pression Unité: Pascal, atm (1013.25 hPa), bar, … Variation de la pression avec l’altitude: loi de l’hydrostatique dp/dz = -  g En combinant avec la loi des gaz parfaits: dp/p = - g/RT dz Hypothèse simplificatrice: T uniforme p = p 0 exp(-z/H) avec H = RT/g ≈ 7.4 km (pour T=255K) – hauteur d’échelle de la décroissance de la pression avec l’altitude La pression diminue de moitié tous les 5km (H ln(2) ≈ 5 km)

7 Profil de température – découpage de l’atmosphère

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9 Découpage de l’atmosphère Troposphère (  8-18 km)  Gradient négatif de température  Phénomènes météorologiques – mélange vertical rapide  80% de la masse totale de l’atmosphère Stratosphère (  45-55 km)  Gradient positif de température  Absorption du rayonnement UV par l’ozone (chauffage)  Mélange vertical lent (stratification) Mésosphère (  80-90 km)  Gradient négatif de température  Émission infrarouge du CO 2 Thermosphère  Gradient positif de température  Rayonnement UV < 175 nm absorbé par N 2 et O 2

10 Circulation atmosphérique générale

11 Circulation de Brewer-Dobson

12 Les zones de convection équatoriales

13 Couche limite

14 Expression de la quantité d’une substance dans l’atmosphère Système international : mole Concentration: quantité (nombre de molécules) ou masse par unité de volume  molecule/cm 3   g/cm 3 Rapport de mélange = concentration (espèce cible)/densité totale  10 -6 : parts per million (ppm) –  mol mol -1  10 -9 : parts per billion (ppb) – nmol mol -1  10 -12 : parts per trillion (ppt) – pmol mol -1 ppmv – parts per million per volume ppmm – parts per million per mass

15 Composition de l’atmosphère actuelle ConstituentRapport de mélange Controlling processes Nitrogen0.78vertical mixing Oxygen0.21vertical mixing Water vapour<0.03evaporation, condensation, transport Argon0.0093vertical mixing Carbon dioxide345 ppmSurface production, mixing Ozone6 ppmphotochemical production Methane1.6 ppmsurface production, chemistry Nitrous oxide0.35 ppmsurface biotic processes, transport Carbon monoxide0.07 ppmcombustion, chemistry CFC-110.2 ppbman made

16 Profil de concentration de quelques espèces

17 Échelles temporelle et spatiale de la variabilité des composants atmosphérique

18 Bilan radiatif terrestre

19 Transfert radiatif terrestre

20 Forçage radiatif

21 Les autres « objets » de l’atmosphère

22 Formation des nuages

23 Stratus

24 Cumulus

25 Nimbo-stratus

26 Cumulonimbus

27 Image satellite – nuages - visible

28 Image satellite – nuages - infrarouge

29 Image satellite – nuages – H 2 O

30 Le « trou » d’ozone

31 Chimie de l’ozone stratosphérique Hypothèse d’une atmosphère d’oxygène : Cycle de Chapman (1930) Explique la présence d’une couche d’ozone Ne permet pas de reproduire quantitativement les concentrations d’ozone Rôle des radicaux HO x, NO x, et Cl x, Br x

32 Radicaux et ozone stratosphérique HO x : 70% des pertes d’ozone, z > 50 km NO X : 70% des pertes d’ozone, 15 < z < 35 km 35 < z < 50 km, rôle des composés chlorés

33 Cycles impliquant les radicaux

34 Exemple du Chlore

35 Découverte du « trou » d’ozone en Antarctique Halley Bay, Antarctica, 1985 Anderson et al., 1987 Sources: British Antarctic Survey, NASA-WMO

36 « Trou » d’ozone Antarctique Arctique

37 Ozone hole evidence

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39 Phénomènes en cause - dynamique

40 Nuages stratosphériques polaires (PSC)

41 Phénomènes en cause - chimie Chimie hétérogène dans les PSCs

42 Conversion des réservoirs en chlore actif Rôle des CFCs – chlore additionnel

43 Résumé de la destruction d’ozone

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45 Mesures satellitaires de la stratosphère polaire

46 Changement climatique Les gaz à effet de serre

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48 Composante du forçage radiatif

49 L’effet de serre Source: ADEME

50 Principaux gaz à effet de serre (GES) Le dioxyde de carbone (53%) : consommation d’énergie fossile, déforestation, procédés industriels Le méthane (17%) : extraction, transport et consommation de gaz, fermentation entérique, fermentation de déjection animale, traitement des déchets,… Le protoxyde d’azote (5%) : utilisation d’engrais azoté Les halocarbures (14%) : fuites des systèmes de réfrigération, production de mousses isolantes, …

51 Historique des concentrations de CO 2 et des températures au cours des 160 000 dernières années Source: C Lorius, LGGG-CNRS

52 Evolution des températures Source: GIEC

53 Changements induits en fonction de l’atitude Zonal-Mean Annual-Average Temperature (°C) Model Changed CO 2 Model Changed CO 2 & Sulphur Observed Changes

54 Indicateurs de l’influence humaine sur l’atmosphere pendant l’Ere industrielle (a) Concentrations atmosphériques globales de 3 GES bien mélangés (b) Dépôt des aérosols sulphatés sur les glaces du Groenland

55 Système climatique global Schéma des composants du système climatique global (gras), leurs processus et interactions (flèches fines) et quelques conséquences possibles (flèches épaisses).

56 Difficultés : incertitudes et multiplicité des paramètres SRES Scenarios for Emissions

57 Projections pour la population Population Projections Historical data from 1900 to 1990 (based on Durand, 1967; Demeny, 1990; UN, 1998, for medium) and IPCC IS92 scenarios (Leggett et al., 1992; Pepper et al., 1992) from 1990 to 2100.

58 Émissions des gaz à effet de serre SO 2 emissions (TgS) CH 4 emissions (TgCH 4 ) CO 2 emissions (GtC) N 2 O emissions (TgN) Year

59 Variations du forçage entre 1770 et 2100 Forcing (Wm –2 )

60 Variations en fonction des modèles pour un scénario d’émissions Temperature Precipitation Global temperature change (°C) Years from start of experiment Global precipitation change (%)

61 Prédictions des futurs changements de température (moyenne globale) Year Temperature change (°C)

62 Projection de l’augmentation des températures

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65 Troposphère et qualité de l’air

66 Processus responsable de l’état troposphérique Scavenging processes Biomass burning emissions Biogenic emissions Long-range transport Troposphere Stratosphere Solar radiation Thermal radiation Ozone layer Gas phase chemistry O3O3 Air-sea exchanges Dry deposition Aqueous phase chemistry Deep convection Stratosphere-Troposphere exchanges Fossil fuel Emissions NO 2 CO VOC CH 4 SO 2 Megacities Aerosols Heterogeneous Chemistry Erosion OBSERVATION

67 Production d’ozone dans la troposphère LA réaction qui produit de l’ozone : O + O 2 + M  O 3 + M La différence entre la troposphère et la stratosphère = la source de l’oxygène atomique!  Dans la stratosphère: photodissociation de O 2 pour des  < 240nm  Dans la troposphère: photodissociation de NO 2 pour des  < 424nm Dans la troposphère: Bilan nul car équilibre!

68 Production d’ozone dans la troposphère Présence de radicaux peroxyles issus de l’oxydation des hydrocarbures et autres COVs  perturbation du cycle O 3 -NO-NO 2  production nette d’ozone Cycle terminé par la production de HNO 3 (OH+NO 2 ), de H 2 O 2 (HO 2 + HO 2 ) et de peroxydes (ROOH)

69 Oxydation du monoxyde de carbone CO + OH·  CO 2 + H· H· + O 2 + M  HO 2 · + M NO + HO 2 ·  NO 2 + OH· NO 2 + hv  NO + O O + O 2 + M  O 3 CO + 2 O 2 + hv  CO 2 + O 3

70 Oxydation du méthane CH 4 + OH·  CH 3 · + H 2 O CH 3 · + O 2 + M  CH 3 O 2 · + M CH 3 O 2 · + NO  CH 3 O· + NO 2 CH 3 O· +O 2  HCHO + HO 2 · HO 2 · + NO  OH· + NO 2 2{NO 2 + hv (+O 2 )  NO + O 3 } CH 4 + 4 O 2 + 2 hv  HCHO + 2O 3 + H 2 O HCHO donne lieu à des précurseurs de O 3 HCHO + hv  H 2 + CO  H· + HCO HCHO + OH  HCO + H 2 O HCO + O 2  HO 2 · + CO H· + O 2  HO 2 ·

71 Formation des photo-oxydants

72 L’ozone à l’échelle régionale Environnement pauvre en NO  Augmentation de NO x  augmentation d’ozone  Régime NO X limité Environnement riche en NO  Augmentation de NO X  perte de radicaux et limitation de la production d’ozone  Régime COV limité  Titration (NO+O 3  NO 2 +O 2 )  diminution d’ozone proche des sources Ozone et NO X – indicateurs de pollution

73 NO 2 troposphérique

74 Ozone troposphérique – heat wave 2007 LISA

75 Monoxyde de carbone

76 Formaldéhyde

77 Sondage à distance

78 Les différents types de plateformes Au solAéroportées (navettes) Ballons sondes Satellites

79 Les différents types de mesures – mesure active LIDAR (Light detection and Ranging) Jungfraujoch, Suisse

80 LIDAR Type de LIDARPrincipe de mesureApplications Mie Scattering Diffusion de mie par les aérosols aérosols dans la basse atmosphère Rayleigh scattering Diffusion Rayleigh par les molécules Densité et température dans la moyenne atmosphère Raman scattering Diffusion Raman (inélastique) par les molécules Vapeur d’eau, panache de pollution Fluorescent Fluorescence émise par les molécules excitées Identification et mesure de densité des molécules dans l’atm. moy. Differential absorption Absorption par les molécules Identification et mesure de la densité de molécules Doppler Décalage spectral du à l’effet Doppler Direction et vitesse du vent

81 Exemple de mesure LIDAR

82 Les différents types de mesures – mesure passive Sources de rayonnement naturelles  Soleil = occulation solaire  Lune, étoiles = occultation lunaire ou stellaire  Émission thermique (surface ou atmosphère)  Réflexion à la surface Interaction rayonnement-molécules  Absorption  Émission  Diffusion Instruments:  Spectromètres

83 Les différentes régions spectrales Passive: raies d’absorption-émission des molécules profil vertical (atmosphère moyenne) O 3, ClO Active: propriétés de surface (couverture neigeuse, rugosité) hauteur des vagues vitesse du vent raies d’absorption- émission des molécules émission thermique (surface, atmosphère) occultations Profils verticaux hauteur nuage phase des particules Visible réflexion à la surface couverture nuageuse type de végétation utilisation des sols UV profil vertical d’ozone colonnes: O 3, NO 2, BrO, HCHO, CHOCHO Image AT2-ELS

84 Géométries de mesure - limbe Mesure l’extinction du signal par l’atmosphère Source : émission thermique de l’atmosphère (IR) Source : soleil, lune, étoiles (UV, Vis, IR, MW) Avantages bonne résolution verticale  profils Inconvénients faible résolution horizontale limitée au sondage de l’atmosphère moyenne Limbe (émission) Limbe - occultation

85 Limbe – altitude tangente

86 Géométries de mesure - nadir Nadir Sources : émission thermique de la surface (IR) – réflexion à la surface (UV-vis) Avantages bonne résolution horizontale  « cartographie » sondage de toute l’atmosphère Inconvénients faible résolution verticale Équivalent au sol: visée au zénith Possibilité de faire varier l’angle de visée  balayage Image AT2-ELS

87 Orbites satellitales Exemple : orbite de Terra Image AT2-ELS

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