GP7 : Ozone stratosphérique et le changement global

Intitulé complet du GP7 : Le milieu stratosphérique ouvert : impact des feux de biomasse et du volcanisme sur l’ozone et le changement global ; bilan et tendance des halogènes

Nathalie Huret (Université-LPC2E), Gwenaël Berthet (CNRS-LPC2E), B. Scaillet (CNRS-ISTO)

Le projet VOLTAIRE nous permettra, grâce à l’instrumentation mise en œuvre et à l’effort de modélisation associé, de répondre à trois des grandes questions impliquées dans le transport vers la stratosphère des composés volatils et des aérosols et leurs devenirs.

Composition d'images pour le GP7 mesures en ballon

Impact des produits de feux de biomasse sur la stratosphère.
Au cours des années à venir, nous allons être en mesure de quantifier précisément pour la première fois l’impact sur la haute troposphère – basse stratosphère (UTLS) et sur la stratosphère d’une source anthropique majeure de composés chimiques (notamment NO2, CH4, N2O, CO, OCS, HCHO, H2O) jouant un rôle essentiel dans la chimie de l’ozone : le brûlage de la biomasse dont les émissions sont susceptibles d’être injectées jusque dans la basse stratosphère lorsqu’elles interagissent avec des épisodes convectifs.
En effet, nos mesures ballons de ces dernières années font fortement suspecter que ce processus d’émission est la source principale des aérosols solides détectés dans la stratosphère et ce, à l’échelle globale, alors que l’abondance de ces aérosols, non quantifiée à ce jour, n’est pas prise en compte dans les modélisations du climat.
La batterie d’instruments sous ballons performants dont dispose le LPC2E et les nouveaux, sur le point d’être finalisés, vont permettre d’appréhender de manière complète et unique l’impact des feux de biomasse sur la stratosphère.

Les spectromètres infrarouges à plusieurs voies lasers SPIRALE et SPIRIT quantifieront, avec d’excellentes résolutions verticales, précisions et sensibilités, les composés traces produits par les feux. Simultanément, le compteur d’aérosols LOAC, basé sur une technologie nouvellement brevetée, et en cours de commercialisation, sera à même de déterminer sans ambiguïté à la fois les contenus en aérosols liquides et solides.
De manière complémentaire et inédite, ces derniers pourront être collectés in situ (par l’instrument DUSTER, collaboration Université Naples) et analysés en laboratoire à l’ISTO par microscopie électronique à transmission en fond noir.
Sur les dix années à venir, une nacelle ballon totalement novatrice dédiée aux aérosols combinera ces instruments à un spectromètre de masse de nouvelle génération, de type Orbitrap, à très haute résolution en masse et spatialisé, permettant un saut technologique pour des analyses conjointes, uniques au niveau mondial, de la nature, des propriétés physiques et de la composition chimique des aérosols stratosphériques.

Image 1 : Lancement ballon de l’instrument SPIRALE du LPC2E le 7 août 2009 depuis la base de Kiruna en Suède (source CNES et Stéphane Chevrier).
Image 2 : Photo d’un ballon stratosphérique avant lancement (source CNES et Bertrand Gaubicher)
Image 3 : Mesures par le lidar de l’Observatoire de Haute Provence du nuage d’aérosols volcaniques issus de l’éruption du volcan Sarychev. (source Jégou et al., Atmos. Chem. Phys., 2013)
Image 4 : Mesures ballons de l’extinction des aérosols stratosphériques par les instruments du LPC2E. En noir et rouge: en présence d’aérosols volcaniques. En bleu: en l’absence d’aérosols volcaniques. La position de la tropopause est représentée par le trait tiret noir. (source: Jégou et al., Atmos. Chem. Phys., 2013)
Image 5 : Impact radiatif des aérosols émis dans la stratosphère par l’éruption du Sarychev sur juillet 2009. (source Haywood et al., J. Geophys. Res., 2010).

Impact du volcanisme sur la stratosphère.
La prochaine décennie sera décisive dans le sens où l’on va bénéficier du recul nécessaire (entre 25 et 30 ans d’observations cumulées) pour l’analyse des processus mettant en jeu le couple volcanisme/stratosphère et de nouveaux instruments pour des observations régulières. Grâce aux mesures fréquentes sous ballon-sonde par l’instrument LOAC, la communauté scientifique pourra enfin

  1. quantifier précisément la charge en aérosols liquides sulfatés ;
  2. observer pour la première fois leur variabilité spatio-temporelle sur toute la verticale ;
  3. corréler ces variations avec l’intensité des éruptions volcaniques à venir dans la prochaine décennie.

Au cours de grandes campagnes ballons, le bilan en soufre gazeux dans la stratosphère pourra être quantifié par l’instrument SPIRIT via la mesure des précurseurs gazeux OCS et SO2.
Toutes ces observations couplées aux résultats obtenus par l’ISTO via les simulations expérimentales du dégazage magmatique du soufre et des halogènes permettront ainsi d’améliorer les modèles selon différents points.
Le bilan du soufre associé à ces aérosols est-il correct dans les modèles de chimie stratosphérique ?
Les processus chimiques hétérogènes de l’ozone stratosphérique sont-ils ainsi proprement simulés ?
Quel en est l’impact sur les modèles climatiques ?
Enfin, l’analyse conjointe par 2 techniques de mesure, ELHYSA (hygrométrie à point de givre) et SPIRIT (spectrométrie laser d’absorption) sera précieuse pour caractériser le lien attendu entre les éruptions volcaniques importantes et les tendances en vapeur d’eau stratosphérique, ce que les hygromètres américains n’ont pas réussi à démontrer.

Bilan et tendance des halogènes dans la stratosphère. Avec la stratégie d’observation proposée, nous apporterons une contribution essentielle à la connaissance du bilan en composés halogénés dans la stratosphère en cette période clé où leur déclin est amorcé. En effet, le bilan et les tendances en brome stratosphérique ne sont établis au niveau mondial que par les mesures à distance d’un unique spectromètre UV sous ballon (DOAS, Université Heidelberg). Nos compétences combinées en instrumentation ballons (LPC2E) et en chimie analytique de laboratoire (ICARE) permettront de monter sur une même nacelle ce type de spectromètre UV, déjà existant au LPC2E, et l’autre technique de choix (in situ, par fluorescence induite par laser), pour la mesure cohérente de BrO, afin de répondre définitivement à la question du contenu du brome stratosphérique. Concernant le chlore, nos observations in situ et précises de HCl (par SPIRALE ou SPIRIT) fourniront l’une des principales références mondiales, à la fois pour la quantification du chlore total stratosphérique, et pour la contribution des espèces à courte durée de vie (VSLS) à son bilan et sa tendance, en tant que validation des satellites américains et éventuels européens.

Résultats :

Résultats du GP 7

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