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Extrait de la Lettre n°12 du Programme International Géosphère Biosphère-Programme Mondial de Recherches sur le Climat (PIGB-PMRC)
1 : Différence entre les températures mesurées par une montgolfière et les analyses des modèles météoroliques
2 : Evolution
de la distribution verticale de la concentration de NO2 et
de OClO.
3 : Températures
minimales
et diminution de la couche d'ozone.
4 : Destruction
de l'ozone
en 2000.
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Une destruction de l'ozone stratosphérique est observée aux hautes et moyennes latitudes. Son amplitude est particulièrement importante au-dessus des régions polaires à cause des très basses températures qui y règnent en hiver.
La destruction de la couche d’ozone
Observée tout d'abord en Antarctique où un trou d'ozone se forme chaque année au mois de septembre, plus tôt que jamais en 2000, la destruction printanière de l'ozone s'étend maintenant à l'Arctique. Bien que plus faible, elle s'observe également durant les mois d'hiver aux latitudes moyennes où elle contribue à la progressive réduction de la couche d'ozone sur le long terme.
Le protocole international de Montréal signé en 1987 et ses amendements ultérieurs ont abouti à une réduction sensible des émissions de gaz destructeurs d'ozone dont la teneur dans la stratosphère passée par un pic à la fin des années 90, devrait maintenant peu à peu diminuer. En l'absence de tout autre changement, la couche d'ozone devrait donc retrouver son état antérieur au cours des prochaines décennies.
Les campagnes européennes depuis 10 ans
La façon la plus efficace d'aborder l'étude de ce type de problèmes environnementaux globaux est à l'échelle internationale. C'est dans ce sens qu'a été mis sur pied depuis une dizaine d'années un programme de recherche européen intégré associant la Commission et les agences de recherche des états membres dans lesquels les chercheurs européens se sont lancés avec enthousiasme. La coopération entre les programmes et la mise en place de procédures de coordination sont apparues comme un des éléments essentiels de la réussite des recherches européennes sur la stratosphère. Mais l'un des aspects les plus marquants de cette construction a été la naissance d'une communauté scientifique européenne réelle dans le domaine de la stratosphère.
Le programme de recherche lancé il y a maintenant dix ans a comporté
trois campagnes de terrain successives dont les vols en ballons et en
avion ont été une composante centrale. Ainsi, THESEO (Third
European Stratospheric Experiment on Ozone) qui s'est déroulée
en 1998-2000, fait-elle suite à EASOE (European Arctic Stratospheric
Ozone Experiment) en 1991-92 et à SESAME (Second European
Stratospheric Arctic and Mid-latitude Experiment) en 1994-95. Toutes
s'intègrent dans un programme plus vaste d'étude de l'ozone
stratosphérique et du rayonnement UV qui inclut également
des recherches en laboratoire, des développements instrumentaux,
des mesures continues depuis de nombreuses stations au sol ainsi que le
développement de modèles de simulation. L'objectif de cet
article est de donner un aperçu des aspects techniques et scientifiques
de THESEO ainsi que de ses résultats les plus marquants.
La campagne THESEO
THESEO est une campagne de terrain européenne soutenue par la CE et de nombreuses agences nationales dont le but était l'étude des causes de la réduction d'ozone observée au-dessus de l'Europe et des régions nordiques au cours des 20-30 dernières années. Les observations ont été conduites dans une gamme étendue de conditions stratosphériques dans le but ultime de répondre aux questions les plus actuelles comme :
• un trou d'ozone peut-il se former en Arctique au cours de prochaines années ?
• dans quelle mesure les changements climatiques peuvent-ils affecter le retour de la couche d'ozone à l'état antérieur alors que la teneur en gaz destructeurs de l'ozone diminue ?
La réduction de l'ozone aux latitudes moyennes est le résultat d'une combinaison de mécanismes qui se produisent aux latitudes moyennes mais aussi dans les régions environnantes qui a amené à définir quatre domaines d'étude pour THESEO :
• la basse stratosphère des latitudes moyennes,
• les échanges entre cette région et les latitudes environnantes,
• le vortex Arctique,
• les tropiques et sub-tropiques.
La phase principale
de THESEO s'est concentrée sur l'étude des latitudes moyennes
en 1998-99. THESEO 2000 qui a suivi est une extension de THESEO destinée
plus particulièrement à l'étude de l'hiver Arctique
en collaboration avec une campagne américaine SOLVE (SAGE III
Ozone Loss and validation Experiment). La campagne résultante,
SOLVE-THESEO 2000, la plus importante jamais organisée pour l'étude
de la destruction de l'ozone, a vu l'intervention de plus de 400 chercheurs
et techniciens d'Union Européenne, Canada, Islande, Japon, Norvège,
Pologne, Russie, Suisse et Etats-Unis. Elle a fait appel à une
panoplie de mesures avec des instruments variés en de nombreuses
stations et plates-formes ainsi qu'à une large gamme de modèles
de simulation.
Les instruments mis en jeu
Les ballons
Plus de 45 ballons stratosphériques de tous types et volumes, y compris des ballons de longue durée, ont été lancés par les CNES depuis Aire sur l'Adour et Gap en France, la base de du Swedish Space Corporation de l'ESRANGE à Kiruna dans le nord de la Suède ou encore celle de INTA à Leon en Espagne, ainsi que quelque autres par le Norwegian Space Center depuis la base d'Andoya en Norvège. Quatre gros ballons stratosphériques ont également été lancés par la NASA-NSBF depuis l'ESRANGE au cours de l'hiver 2000.
Parmi les expériences en ballon particulièrement fructueuses fondées sur le savoir faire des équipes du CNES et du SSC acquis au cours de 10 dernières années, on citera :
• la mesure in situ de la composition des cristaux des nuages stratosphériques à l'aide d'une nacelle internationale construite autour d'un spectromètre de masse du Max Planck de Heidelberg,
• les vols de longue durée de Montgolfière Infra-Rouge de 2 à 3 semaines dans le vortex polaire au profit du Service d'Aéronomie et du Laboratoire de Météorologie Dynamique permettant la première évaluation directe de la précision des températures et des vents des analyses météorologiques. La figure 1 montre la comparaison entre températures mesurées par montgolfière IR et les analyses des modèles.
Les avions
Une flotte de 6 avions européens de différentes capacités et instrumentation a également été mise en œuvre en complément de l'avion stratosphérique de recherche ER-2 et du DC-8 de la NASA en 2000 :
• le M-55 Geophysika Russe pour l'étude de tropiques à haute altitude,
• le Falcon du DLR Allemand, le Cessna Citation Hollandais,
• un Lear Jet de l'Armée de l'Air Suisse,
• les avions Mystère 20 et Fokker ARAT de l'INSU.
Le réseau de stations d’observation
L'un des autres aspects originaux sur lequel sont fondées
les recherches européennes est aussi l'existence d'un réseau
de stations d'observation et de sondage de la stratosphère lié
au NDSC (Network for Detection of Stratospheric Change) et au Global
Atmospheric Watch programme de l'OMM. Les observations pratiquées
tout au long de l'année en ces stations ont largement contribué
à l'étude de la variabilité inter annuelle de la
destruction de l'ozone, une caractéristique spécifique à
l'Arctique, comme à la validation des mesures satellitaires.
Les satellites
Enfin, la campagne THESEO a fait également largement usage
des données de deux instruments satellitaires en opération
durant toute la période : l'instrument POAM III (Polar
Ozone and Aerosol Monitoring) du Naval Research Laboratory à bord
du satellite SPOT IV du CNES et GOME (Global Ozone Monitoring Experiment)
à bord de ERS-2 de l'ESA.
Sur le plan européen, THESEO était organisé en 13 projets du Programme Environnement et Climat de la Direction Générale Recherche de la Commission Européenne, coordonnés entre eux et avec les programmes nationaux par l'European Ozone Research Coordinating Unit et un groupe opérationnel spécifique : le THESEO core group.
Résultats de THESEO
Bien que les résultats étant loin d'être analysés et publiés en totalité (deux éditions spéciales du Journal Geophysical Research sont en préparation), un premier bilan de THESEO peut être dressé à partir des présentations dans différentes réunions scientifiques récentes, dont en particulier :
• le 5ème Symposium Européen sur l'Ozone Stratosphérique qui s'est tenu à St Jean-de Luz, France, au mois se septembre 1999,
• le SOLVE-THESEO Science meeting à Palerme en Italie en septembre 2000.
Différences entre les trois derniers hivers
De façon schématique, on peut résumer les résultats les plus importants de la façon suivante. Par leurs différences sur le plan de la météorologie de la stratosphère, les trois hivers successifs étudiés au cours du programme THESEO, ont permis des avancés significatives dans la compréhension des causes de la destruction de l'ozone. En effet si les hivers 1997/98 et 1998/99 relativement chauds, ont été marqués par des échanges rapides entre les hautes et les moyennes latitudes, la stratosphère particulièrement froide en 1999/2000 a favorisé la formation d'un vortex polaire isolé et froid tard dans la saison favorable à la formation de nuages stratosphériques (PSC) et à la destruction de l'ozone.
La composition des PSC
En ce qui concerne les PSC, les éléments nouveaux qui méritent d'être signalés sont :
• les premières mesures de composition in situ des particules en ballon démontrant de façon définitive la co-existence dans des proportions rapidement changeantes en fonction de la température de cristaux de NAT (acide nitrique tri-hydraté) et de gouttelettes liquides surfondues de solution ternaires (H2O/ H2SO4/HNO3) ;
• l'observation in situ tout à fait nouvelle depuis l'ER-2 de l'existence de particules de NAT de grande dimension (10 µm) qui précipitent et peuvent ainsi dénitrifier la stratosphère (sans la déshydrater comme le font les petites particules de glace qui se forment à très basse température en Antarctique).
Des avancées en chimie
Sur le plan de la chimie, si les mécanismes d'activation et de désactivation des chlores sont confirmés, les deux éléments nouveaux portent sur :
• les mesures de BrO qui démontrent que les bromes se trouvent pour 50% - 60% sous cette forme active et donc capables de détruire l'ozone à toutes les latitudes et pas seulement à basse température en hiver arctique ;
• les mesures de NOx montrant une «re-nitrification» de la basse stratosphère cohérente avec à la sédimentation des grosses particules évoquées plus haut, qui a pour effet de désactiver immédiatement les chlores et donc d'inhiber toute destruction ultérieure d'ozone dans les basses couches.
La figure 2 montre l’évolution de la distribution verticale de la concentration de NO2 et de OClO dans le vortex polaire au cours de l'hiver 2000.
La destruction de la couche d’ozone en hiver froid
En terme de destruction d'ozone, la situation est en apparence paradoxale. En effet si les basses températures record de l'hiver 1999/2000 ont entraîné une destruction locale massive de l'ozone (jusqu'à 70% vers 17-18 km), celle-ci a été relativement limitée en colonne totale (environ 22%), c'est à dire de l'ordre de grandeur de celle d'une année plus chaude comme 1997/98. L'explication de ce paradoxe, tient à l'extension verticale limitée de la tranche d'altitude dans laquelle l'ozone est détruit au cours d'une année froide qui se traduit par une forte dénitrification entre 15 et 20 km mais une re-nitrification en dessous qui ne se s'observe pas au cours d'hune année plus chaude. La figure 3 présente les températures minimales à une altitude d’environ 19 km, ainsi que la diminution de la couche d’ozone, au cours des mois d’hiver de 1994 à 2001.
Les modèles photochimiques
Bien que qualitativement en accord avec ceci, les modèles photochimiques peinent à rendre compte quantitativement de tous les aspects de la destruction de l'ozone et en particulier du mécanisme de nucléation inconnu des grosses particules, suivi de leur sédimentation dépendante de leur taille et de leur ré-évaporation à plus basse altitude, clef de la re-nitrification et donc de l'amplitude de la destruction de l'ozone (figure 4). La prévision de l'impact possible des changements climatiques sur l'ozone comme la formation éventuelle d'un trou d'ozone en Arctique au cours des années qui viennent, dépend étroitement de ces mécanismes qui demandent à être élucidés en détail avant de pouvoir être incorporés dans les modèles de chimie-climat.
Contact :
Jean-Pierre Pommereau
Service d'Aéronomie du CNRS
BP 3 - 91371 Verrières le Buisson
Pommereau@aerov.jussieu.fr
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