Dossier : Climat   
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Vers un suivi du spectre solaire ultraviolet en France


Extrait de la Lettre n°13
Programme International
Géosphère Biosphère-Programme Mondial de Recherches sur le Climat

(PIGB-PMRC)
 

Depuis la découverte d’une atténuation sensible de la couche d’ozone stratosphérique sur les deux dernière décennie, la surveillance de la couche d’ozone se fait à travers le réseau mondial de mesure NDSC (Network for Detection of Stratospheric Change) dans lequel la France est fortement impliquée.



Depuis la découverte d’une atténuation sensible de la couche d’ozone stratosphérique au-dessus de l’Antarctique, en 1985, puis au-dessus de l’Arctique et, plus récemment, au niveau des latitudes moyennes et basses, (régions les plus fortement peuplées), la question se pose de l’évolution de l’irradiation UV au niveau du sol. La surveillance de la couche d’ozone se fait à travers le réseau mondial de mesure NDSC (Network for Detection of Stratospheric Change).

La France est impliquée dans le réseau NDSC, avec deux stations primaires

  • l’Observatoire de Haute Provence
  • la station antarctique de Dumont d’Urville) ainsi que plusieurs stations secondaires.


A ces dernières se sont récemment agrégés, les sites de mesure de

  • Villeneuve d’Ascq, près de Lille,
  • Villard Saint Pancrace, près de Briançon.


Ces stations sont les seules sur notre territoire à être équipées de spectroradiomètres UV. Elles ont été conçues et sont exploitées conjointement par

  • le LOA-USTL (Lille)
  • l’IRSA-UJF (Grenoble I),
  • avec le concours du CEMBREU (Centre Européen Médical Bioclimatique de Recherche et d’Enseignement Universitaire).

Les sites de mesure de Villeneuve d’Ascq, près de Lille et de Villard Saint Pancrace, près de Briançon, sont les seuls sur notre territoire à être équipés de spectroradiomètres UV. Conçues et exploitées conjointement par le LOA-USTL (Laboratoire d’Optique Atmosphérique, Université des Sciences et Technologies de Lille) et l’IRSA-UJF (Equipe Interactions entre Rayonnement Solaire et Atmosphère, Université Joseph Fourier-Grenoble I), avec le concours du CEMBREU (Centre Européen Médical Bioclimatique de Recherche et d’Enseignement Universitaire), ces deux stations sont opérationnelles depuis 1998 et 1999 respectivement.



Les UV au sommet et au pied de l’atmosphère

La couche d’ozone nous protège des photons les plus durs du rayonnement solaire, en absorbant, dans les bandes dites de Hartley et Huggins, la totalité de ses UV-C (250 – 280 nm) et une partie de ses UV-B (280 – 315 nm). Mais, si toute diminution de la quantité d’ozone stratosphérique se traduit inévitablement par une augmentation de la densité de photons UV dans la haute troposphère (autour de 10 km d’altitude), cette densité ne subit pas, loin s’en faut, une augmentation rigoureusement parallèle au bas de la troposphère. En effet, de nombreux autres paramètres viennent moduler le flux des rayonnements UV au niveau sol, qui rendent très difficile le dégagement d’une tendance.

Le plus important d’entre eux est certainement la nébulosité dont l’évolution moyenne sur l’année est liée à celle des climats. Ne peuvent être négligés non plus, au moins à l’échelon local ou régional, les effets d’écran joués par les émissions anthropiques d’ozone et d’aérosols. En effet la couche d’ozone troposphérique, qui se situe dans la basse atmosphère et peut représenter une épaisseur réduite moyenne de 0,1 mm comparée aux 3 mm de celle de la couche d’ozone stratosphérique, tend à augmenter par suite des activité anthropiques. De même, en présence de neige fraîche au sol, on observe une amplification sensible des rayonnements UV diffus à cause des réflexions multiples entre l’atmosphère et la surface neigeuse entraînées par le très fort albédo (facteur de réflexion) de cette dernière.



Les dangers de UV-A et UV-B

En France les physiciens spécialistes de l’UV solaire sont regroupés en deux équipes de 3 à 4 chercheurs permanents ; ils travaillent, comme leurs collègues étrangers, en amont de domaines aussi divers et sensibles que la photodermatologie, la photochimie atmosphérique ou la photobiologie. Il est en effet reconnu depuis longtemps que les UV-B, et même les UV-A, sont des rayonnements "mutagènes", c’est-à-dire des promoteurs potentiels de graves cancers de la peau (photocarcinogénèse cutanée) ; certaines cataractes et des affections rétiniennes sont aussi imputables aux courtes longueurs d’onde solaires. On explique également l’activation de nombreuses réactions chimiques, dans la troposphère comme dans la stratosphère, par l’apport énergétique des photons UV (réactions de photolyse sur le dioxyde d’azote et sur l’ozone, par exemple, dans le cycle de l’ozone). Les plantes, elles-mêmes, réagissent à l’excès des rayonnements UV par une limitation de leur activité de photosynthèse ainsi que de leur croissance. Enfin, la pénétration en profondeur des photons UV sous la surface des océans est une cause de destruction du phytoplancton, dont on sait qu’il est le premier maillon de la chaîne alimentaire dans la mer.



Les outils de mesures de la couche d’ozone

L’épaisseur réduite de couche d’ozone atmosphérique est de 3 mm en moyenne (ce qui signifie que ce seul gaz, mis dans les conditions de température et pression qui règnent au sol, ferait une couche de 3 mm d’épaisseur en moyenne) ; elle s’évalue traditionnellement en Dobson Units (DU) dont l’unité vaut 1/100e de mm. Sa détermination est faite de façon standard à l’aide de spectroradiomètres, les plus anciens et les plus connus étant celui de Dobson et celui de Brewer, qui sont utilisés au sol en réseau. Des spectroradiomètres peuvent également être embarqués sur des satellites ; c’est le cas de l’instrument TOMS (Total Ozone Mapping Sounder) qui fournit les épaisseurs d’ozone en tout point du globe depuis une vingtaine d’année, et aussi de l’instrument GOME (Global Ozone Monitoring Experiment) déployé plus récemment par l’Agence Spatiale Européenne. Ces spectroradiomètres permettent d’obtenir l’épaisseur d’ozone par une comparaison de l’éclairement solaire monochromatique, direct ou bien diffus (ou, encore, rétrodiffusé par l’atmosphère dans le cas des mesures satellitaires), à deux longueurs d’onde pour lesquelles l’absorption par ce gaz est très contrastée (les résultats sont, ainsi, peu affectés par la précision des étalonnages).

1 : Variations saisonnières de la colonne totale d’ozone
 
Des mesures Dobson sont régulièrement effectuées, en France, à l’Observatoire de Haute Provence ; la figure 1 en montre la périodicité annuelle sur les vingt dernières années.

Les longues séries et la bonne précision des données d’ozone recueillies par tous ces appareils ont permis de dégager les tendances claires à la diminution que l’on sait, sous toutes les latitudes du globe. L’obtention de l’épaisseur de couche d’ozone à partir du rayonnement solaire direct revient à déterminer la "transmittance" de l’atmosphère correspondant à l’absorption par l’ozone. Dans la bande UV-B, le rapport de l’éclairement solaire direct au sol, à ce même éclairement hors atmosphère, est proportionnel au produit de cette transmittance par deux autres : celle de Rayleigh et celle des aérosols. Correspondant respectivement à la diffusion moléculaire et à la diffusion et absorption par les aérosols, ces deux dernières transmittances peuvent être déterminées par ailleurs. Il en découle que, par la mesure spectrale de l’éclairement solaire direct au sol sur une gamme appropriée de longueurs d’onde, il est possible d’atteindre aussi l’épaisseur de la couche d’ozone.

2 : Stations primaires et secondaires du réseau d’observation



 


L’augmentation de l’UV sur la dernière décade aux latitudes moyennes

La mesure des éclairements solaires UV au sol peut se faire, quant à elle, avec des instruments "à large bande", c’est-à-dire intégrant les spectres d’éclairement solaire sur la gamme des UV. Elle se fait aussi, mais plus rarement, avec les spectroradiomètres dont il a été question précédemment, instruments qui sont capables de déterminer avec une résolution plus ou moins fine, une succession d’éclairements monochromatiques sur la gamme UV.

Réduction d'ozone dans l'hemisphère Nord sur la période 1979-2000

  • Moyenne sur toutes saisons : 4%
  • Moyennes sur décembre,janvier, février : 5%
  • Moyennes sur mars, avril, mai: 6%
  • Moyennes sur juin, juillet, août: 3%
  • Moyennes sur septembre, octobre, novembre: 2%

Source Fioletov et al. ,2001 ; contact :
J. P. Pommereau, Pommereau@aerov.jussieu.fr


Les appareils du premier type sont disponibles sur le marché ; leur précision ne descend guère au-dessous de 5%, surtout dans la mesure des UV-B, mais leur fidélité est correcte ; le plus connu d’entre eux, et aussi le plus ancien, est le radiomètre de Robertson et Berger qui mesure la puissance érythémale (l’action érythémale des UV étant un effet de rougissement persistant, qu’ils produisent sur la peau).
Les instruments à large bande étant en fonctionnement depuis de nombreuses années, il existe de longues séries de mesures de la puissance érythémale qui ont permis de dégager les premières tendances de son évolution au sol ; ainsi, les accroissements observés aux latitudes moyennes sont-ils souvent trouvés aux alentours de 5% sur la dernière décade, accroissements qui sont nécessairement liés à la diminution de la couche d’ozone stratosphérique.

Les spectroradiomètres UV sont d’une toute autre complexité et, de ce fait, d’un coût au moins dix fois plus élevé. Leur exploitation exige une maintenance fréquente par un personnel compétent. Du point de vue technique ils présentent plusieurs difficultés dont les principales sont l’erreur d’obliquité au niveau du récepteur optique et la sensibilité à la température des parties mécaniques ; à cela s’ajoutent le manque de fidélité du dispositif de détection par photomultiplicateur (qui contraint à de fréquents réétalonnages), le coût et la faible durée de vie des lampes étalon - d’une précision jamais meilleure que 1 ou 2%, et des décalages en longueur d’onde… Tous ces effets entachent d’une incertitude importante la mesure des éclairements monochromatiques, surtout au-dessous de 315 nm, donc dans les UV-B. En dépit de cela, ce sont des spectroradiomètres que l’on utilise pour étalonner les instruments à large bande.

Malgré les difficultés de leur mise en œuvre, les spectroradiomètres UV sont considérés, aujourd’hui, comme les instruments les plus fiables pour le suivi des éclairements solaires de courtes longueurs d’onde, sur plusieurs années. Ils équipent, pour cette raison, quelques stations du réseau mondial de mesure NDSC (figure 2) dont deux sites européens dans les Alpes Bavaroises (Garmisch-Partenkirchen et Zugspitze).






3 : Evolution de l’épaisseur de la couche d’ozone


4 : Spectres des éclairements solaires
  Quelques résultats

Les sites de mesure de Villeneuve d’Ascq, près de Lille, et de Villard Saint Pancrace, près de Briançon, sont équipés de spectroradiomètres UV. Ces deux stations sont opérationnelles depuis 1998 pour la première et depuis novembre 1999 pour la seconde. Entre les opérations de réétalonnage ou de réparation des inévitables pannes, elles fonctionnent en continu à raison d’un spectre global, ou d’un groupe de spectres diffus et global, chaque demi-heure, entre lever et coucher du soleil. La figure 3 présente l’un des résultats bruts (évolution de la colonne totale d’ozone et des maxima diurnes du rapport UV-B/UV-A, qui donne une indication de la "nocivité" du rayonnement) de la campagne de mesure de l’année 2000 à Villard Saint Pancrace, 1310 m d’altitude. La figure 4 montre un exemple de spectres également enregistrés à Villard Saint Pancrace pour une même élévation du soleil.
L’intégration des ces deux stations spectroradiométriques françaises dans le réseau mondial NDSC représente, en raison du niveau de ses exigences, la garantie d’un suivi précis de l’évolution des UV sur notre territoire. Mais il est clair que la viabilité, sur le moyen terme, d’une telle intégration impliquera un support spécifique pendant quelques années de la part des organismes nationaux de recherche intéressés.

Contact : Alain Chiron de La Casinière - Alain.de-la-Casiniere@ujf-grenoble.fr
Equipe de Recherche sur les Interactions entre Rayonnement Solaire et Atmosphère
Université Joseph Fourier-Grenoble I
17, quai Claude Bernard, 38000 Grenoble


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