Mthodes physiques en tldtection Transfert radiatif Tldtection de

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

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

Atmosphère et sondage : généralités

Évolution de l’atmosphère Formation de la Terre: 4. 5 milliards d’années terrestre n n Dégazage intensif atmosphère primitive: q n 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. q q q H 2 O condensation océans CO 2 dissolution carbonate sédimentaire (105 fois sup. atmosphère) N 2 inerte accumulation dans l’atmosphère au cours du temps géologique n Présence de méthane et d’ammoniac évolution de la matière organique dans les océans n Forte augmentation de O 2 formation de O 3. ATMOSPHERE ACTUELLE

Profil de pression - densité

La pression n Unité: Pascal, atm (1013. 25 h. Pa), bar, … n Variation de la pression avec l’altitude: loi de l’hydrostatique dp/dz = - r g n En combinant avec la loi des gaz parfaits: dp/p = - g/RT dz n Hypothèse simplificatrice: T uniforme p = p 0 exp(-z/H) avec H = RT/g ≈ 7. 4 km (pour T=255 K) – hauteur d’échelle de la décroissance de la pression avec l’altitude La pression diminue de moitié tous les 5 km (H ln(2) ≈ 5 km)

Profil de température – découpage de l’atmosphère

Profil de température – découpage de l’atmosphère

Découpage de l’atmosphère n Troposphère ( 8 -18 km) q q q n Stratosphère ( 45 -55 km) q q q n Gradient positif de température Absorption du rayonnement UV par l’ozone (chauffage) Mélange vertical lent (stratification) Mésosphère ( 80 -90 km) q q n Gradient négatif de température Phénomènes météorologiques – mélange vertical rapide 80% de la masse totale de l’atmosphère Gradient négatif de température Émission infrarouge du CO 2 Thermosphère q q 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 n Système international : mole n Concentration: quantité (nombre de molécules) ou masse par unité de volume q q n molecule/cm 3 mg/cm 3 Rapport de mélange = concentration (espèce cible)/densité totale q q q 10 -6 : parts per million (ppm) – mmol 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

Composition de l’atmosphère actuelle Constituent Rapport de mélange Controlling processes Nitrogen 0. 78 vertical mixing Oxygen 0. 21 vertical mixing Water vapour <0. 03 evaporation, condensation, transport Argon 0. 0093 vertical mixing Carbon dioxide 345 ppm Surface production, mixing Ozone 6 ppm photochemical production Methane 1. 6 ppm surface production, chemistry Nitrous oxide 0. 35 ppm surface biotic processes, transport Carbon monoxide 0. 07 ppm combustion, chemistry CFC-11 0. 2 ppb man 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 HOx, NOx, et Clx, Brx

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

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

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

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

Evolution des températures Source: GIEC

Changements induits en fonction de l’atitude Model Changed CO 2 Zonal-Mean Annual-Average Temperature (°C) 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 Projections Historical data from 1900 to 1990 (based on Durand, 1967; Demeny, 1990; UN, 1998, for medium) and IPCC IS 92 scenarios (Leggett et al. , 1992; Pepper et al. , 1992) from 1990 to 2100.

SO 2 emissions (Tg. S) CH 4 emissions (Tg. CH 4) N 2 O emissions (Tg. N) CO 2 emissions (Gt. C) Émissions des gaz à effet de serre Year

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

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

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

Projection de l’augmentation des températures

Troposphère et qualité de l’air

Processus responsable de l’état troposphérique OBSERVATION Ozone layer Thermal radiation Stratosphere Solar radiation Stratosphere-Troposphere exchanges Troposphere Gas phase chemistry NO 2 CO VOC CH 4 SO 2 Long-range transport O 3 Deep convection Aqueous phase chemistry Heterogeneous Chemistry Aerosols Scavenging processes Megacities Fossil fuel Emissions Biogenic emissions Dry deposition Biomass burning emissions Erosion Air-sea exchanges

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

Production d’ozone dans la troposphère n 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 n 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 + H· 2 H· + O 2 + M HO 2· + M NO + HO 2· NO 2 + OH· NO 2 + hv NO + 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· + NO OH· + NO 2 2{NO 2 + hv (+O 2) NO + O 3} CH 4 + 4 O 2 + 2 hv HCHO + 2 O 3 + H 2 O n 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 n Environnement pauvre en NO q q n Augmentation de NOx augmentation d’ozone Régime NOX limité Environnement riche en NO q q q Augmentation de NOX 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 NOX – 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 sol Aéroportées (navettes) Ballons sondes Satellites

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

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

Exemple de mesure LIDAR

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

Les différentes régions spectrales Image AT 2 -ELS Passive: • raies d’absorption-émission des molécules • profil vertical (atmosphère moyenne) • O 3, Cl. O Active: • propriétés de surface (couverture neigeuse, rugosité) • hauteur des vagues • vitesse du vent • raies d’absorptionémission 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, Br. O, HCHO, CHOCHO

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

Limbe – altitude tangente

Géométries de mesure - nadir Nadir Possibilité de faire varier l’angle de visée balayage 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 Image AT 2 -ELS

Orbites satellitales Exemple : orbite de Terra Image AT 2 -ELS