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

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

Atmosphère et sondage : généralités

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

Profil de pression - densité

La pression Unité: Pascal, atm ( 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)

Profil de température – découpage de l’atmosphère

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 (  km)  Gradient positif de température  Absorption du rayonnement UV par l’ozone (chauffage)  Mélange vertical lent (stratification) Mésosphère (  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

Circulation atmosphérique générale

Circulation de Brewer-Dobson

Les zones de convection équatoriales

Couche limite

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  : parts per million (ppm) –  mol mol -1  : parts per billion (ppb) – nmol mol -1  : parts per trillion (ppt) – pmol mol -1 ppmv – parts per million per volume ppmm – parts per million per mass

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 ppbman made

Profil de concentration de quelques espèces

Échelles temporelle et spatiale de la variabilité des composants atmosphérique

Bilan radiatif terrestre

Transfert radiatif terrestre

Forçage radiatif

Les autres « objets » de l’atmosphère

Formation des nuages

Stratus

Cumulus

Nimbo-stratus

Cumulonimbus

Image satellite – nuages - visible

Image satellite – nuages - infrarouge

Image satellite – nuages – H 2 O

Le « trou » d’ozone

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

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

Cycles impliquant les radicaux

Exemple du Chlore

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

« Trou » d’ozone Antarctique Arctique

Ozone hole evidence

Phénomènes en cause - dynamique

Nuages stratosphériques polaires (PSC)

Phénomènes en cause - chimie Chimie hétérogène dans les PSCs

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

Résumé de la destruction d’ozone

Mesures satellitaires de la stratosphère polaire

Changement climatique Les gaz à effet de serre

Composante du forçage radiatif

L’effet de serre Source: ADEME

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, …

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

Evolution des températures Source: GIEC

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

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

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

Difficultés : incertitudes et multiplicité des paramètres SRES Scenarios for Emissions

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.

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

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

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

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

Projection de l’augmentation des températures

Troposphère et qualité de l’air

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

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!

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)

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

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 O 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 ·

Formation des photo-oxydants

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

NO 2 troposphérique

Ozone troposphérique – heat wave 2007 LISA

Monoxyde de carbone

Formaldéhyde

Sondage à distance

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

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

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

Exemple de mesure LIDAR

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

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

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

Limbe – altitude tangente

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

Orbites satellitales Exemple : orbite de Terra Image AT2-ELS