Dossier : Climat   
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L'ozone dans la troposphère : les campagnes TROPOZ


Extrait de la Lettre n°1 du Programme International Géosphère Biosphère-Programme Mondial de Recherches sur le Climat (PIGB-PMRC)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 



Coupe méridienne (Ozone) correspondant à un trajet Nord-Sud durant TROPOZ II.

 



Coupe méridienne (CO2) correspondant à un trajet Nord-Sud durant TROPOZ II.

 


Contrairement aux risques de destruction de la couche d'ozone stratosphérique, l'ozone contenu dans la troposphère (0-12 km) a augmenté d'un facteur 5 dans l'hémisphère nord depuis la fin du siècle dernier sous l'effet de la pollution anthropique (formation à partir de précurseurs émis par les voitures, industries, avions, centrales thermiques, ...). Les conséquences de cette évolution sont importantes pour la santé, la végétation et pour l'effet de serre. Cette production résulte de réactions photochimiques à partir de précurseurs carbonés (CO, CH4, hydrocarbures), en présence de composés azotés (NOx). Elle contribue à 80% de l'ozone présent dans la troposphère, le restant provenant des arrivées d'air stratosphérique. Dans l'hypothèse d'une poursuite du taux actuel d'augmentation de 1'ozone (1,6 à 2% par an dans l'hémisphère nord), les teneurs en ozone pourraient atteindre d'ici une trentaine d'années le seuil maximal admissible (100-120 ppb).

Pour décrire l'évolution future des teneurs en ozone et de ses précurseurs dans la troposphère, il est nécessaire de vérifier les schémas réactionnels photochimiques et de valider les modèles 2D (2 dimensions) et 3D (3 dimensions), décrivant les transpoerts et la chimie troposphérique. Les mesures satellitaires, excellent moyen d'exploration et de surveillance de la stratosphère, sont encore mal adaptées à l'étude des composants minoritaires dans la troposphère, et demanderont de nombreuses validations. Les réseaux de mesure au sol, essentiellement représentatifs de la couche limite (0-1,5 km) et le plus souvent non intercalibrés, ne peuvent décrire les phénomènes intervenant en altitude. Les mesures aéroportées sont actuellement le meilleur moyen pour sonder la troposphère à l'échelle globale et régionale. Elles permettent les mesures in situ, précises et simultanées, de très nombreux constituants liés au cycle de l'ozone (cf encadré) au cours de campagnes de durée limitée sur des trajets caractéristiques. Le programme aéroporté TROPOZ a été élaboré pour répondre à ces besoins.
La stratégie d'exploration méridienne repose sur la dissymétrie existant entre les deux hémisphère dans leurs conditions de pollution et de photochimie. Les campagnes STRATOZ III (Juin 1984) et TROPOZ II (Janvier 1991) ont permis une étude méridienne et verticale entre 70°N et 60°S, le long des continents Nord et Sud américains, africain et européen. La coupe Nord-Sud établie le long de la côte Est de l'Amérique du Nord et Ouest de l'Amérique du Sud, est tout à fait représentative des conditions moyennes rencontrées dans les 2 hémisphères (pollution continentale anthropique dans l'Hémisphère Nord; bruit de fond océanique dans l'Hémisphère Sud,), comme le montrent les sorties de modèles numériques 3D de la troposphère.
Sous l'effet de la pollution anthropique, plus de 80% des sources de précurseurs de l'ozone sont localisées sur les continents de l'hémisphère nord, tandis que les zones australes ne témoignent que du bruit de fond atmosphérique. Les tropiques qui constituent une région charnière dans les échanges Nord-Sud, sont très hétérogènes avec à la fois destruction de 1'ozone par photolyse et photochimie (liées aux conditions de température, d'humidité, d'ensoleillement) et production par réaction photochimique sur les produits émis par les combustions de biomasse (Afrique, Amérique du Sud...).

Résultats
Les résultats des deux campagnes méridiennes STRATOZ III et TROPOZ II donnent pour la première fois une vue globale et simultanée des distributions de 1'ozone et de ses précurseurs dans la troposphère. La répartition de 1'ozone dans les deux hémisphère, maximale dans l'H.N. et dépendant directement de celles de ses précurseurs, apporte une confirmation indiscutable des théories photochimiques.
Le plus fort contraste entre les deux hémisphères a été obtenu lors de STRATOZ III, avec une pollution et une photochimie maximale dans le Nord (Ozone: 40-70 ppb dans HN., 20-25 ppb dans HS). La campagne TROPOZ II confirme ces résultats (voir figures), avec cependant des teneurs en Ozone un peu plus faibles (40-45 ppb), dues à la saison. En outre on observe dans l'hemisphère sud les anomalies suivantes :
- hétérogénéité de 1'ozone aux moyennes et hautes latitudes, provenant de descente d'air stratosphérique (confirmé par les faibles teneurs en CO, CH4 et H20, caractéristiques de celles rencontrées dans la stratosphère);
- existence pour CO, CH4 et H2O, mais pas pour l'ozone, d'un maximum prononcé en altitude (6-11 km) au dessus de l'Amérique du Sud (10°N-30°S), dû à une arrivée rapide d'air des basses couches associée à des phénomènes convectifs de grande amplitude au niveau de l'lTCZ. L'absence d'augmentation significative d'ozone traduit une origine naturelle des précurseurs carbonés (émissions amazoniennes, rizières...), et une photochimie très limitée (valeurs réduites d'oxydes d'azote).
Dans la ceinture tropicale, et en particulier au niveau de l'Afrique de l'Ouest et de l'Amazonie, on observe une formation rapide d'Ozone, conduisant à des teneurs élevées (80 à 150 ppb) à partir des émissions (hydrocarbures, CO, NO) associées à la combustion de la biomasse. Ces "bulles d'ozone" sont ensuite susceptibles d'être transportées en altitude et dispersées dans tout 1'hémisphère sud par les grands courants de circulation zonale.
Ces processus de transport à grande échelle, interprétables en termes de circulation soit régionale soit générale, permettent d'expliquer la redistribution de l'ozone et de ses précurseurs jusque dans les régions les plus éloignées des zones sources. La connaissance des conditions réelles de circulation, rencontrées lors des diverses campagnes, est indispensable pour valider les modèles photochimiques à partir des résultats expérimentaux.

Programmes futurs
La perspective d'un accès à l'avion A340-001 appartenant à Airbus industrie, devrait permettre d'étendre considérablement le champ d'investigation et les techniques utilisées (Lidar, Spectrométrie d'absorption laser...), en utilisant les possibilités offertes par ce porteur (autonomie 15 000 km; altitude de croisière 13,5 km), avec notamment une exploration zonale dans les deux hémisphères. Ce développement prévu à partir de 1996, devrait conduire à des collaborations et des campagnes coordonnées avec des groupes de recherche nord-américains. Une première mission, (NEPONA), destinée à étudier les différentes sources d'oxydes d'azote dans la troposphère (pollution au sol, éclairs, avions, stratosphère) ainsi que la photochimie associée au-dessus de l'Atlantique Nord, a été prévue pour le printemps 1996.

Le programme TROPOZ est un programme de chimie troposphérique centré sur l'étude de l'ozone et de ses précurseurs. Il est issu du programme STRATOZ, initié en 1978 par la Météorolgie Nationale, concernant à l'origine l'évolution de l'ozone stratosphérique, dans lequel les expériences troposphériques ont pris le pas à partir de 1987. Il fait partie des grandes actions du programme IGAC de l'IGBP.
Piloté par le Laboratoire d'Aérologie (L.A. - CNRS, Toulouse), il associe cinq autres laboratoires, français (CFR - CNRS - CEA: Gif Sur Yvette; LPCE - CNRS : Créteil) et allemands (KFA: Julich; MPI: Mainz; IMGF: Francfort), ainsi que le Centre d'Essais en Vol de Brétigny qui a mis à disposition une Caravelle et son équipage de conduite permettant d'explorer l'atmosphère entre 0 et 12 km avec une autonomie de 3200 km. Depuis 1983, cinq campagnes globales ou régionales ont été réalisées.
Les différents laboratoires ont mesurés les composés suivant:
L.A.: O3, CO, CH4, H2, CO2, N.A., H2O
LPCE: H2O2, PAN
CFR: 85 Kr, NMHC, 222Rn
KFA: NO, NO2, NOy, NMHC, PAN, HCHO, RCHO
MPI: H2O2, NO2, HCHO, CO
IMGF: SO2

Contact :
A. Marenco
Laboratoire d'Aérologie (CNRS-URA)
Université Paul Sabatier
31062 Toulouse Cedex



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