Le défi de la mesure par satellite des colonnes d’ozone troposphérique

En absorbant une grande partie du rayonnement solaire qui est nocif dans l’ultraviolet, la couche d’ozone de la distante stratosphère protège la vie en surface. L’ozone troposphérique, en revanche, est une molécule toxique qui nuit à la santé humaine, à l’agriculture et aux écosystèmes. Il faut donc surveiller les deux couches séparément et à l’échelle mondiale, mais la mesure de l'ozone troposphérique depuis l'espace reste un véritable défi. L’IASB continue d'investir son expertise dans les techniques de validation et d'assimilation de données pour aider à résoudre ce défi.

Le défi de la mesure par satellite des colonnes d’ozone troposphérique

Les instruments satellitaires qui observent le limbe de la Terre fournissent des profils verticaux d'ozone dans la stratosphère, mais pas dans la troposphère. D'autres instruments satellitaires balaient le nadir (c'est-à-dire vers le bas), mais leurs mesures ne sont précises que lorsqu'elles sont intégrées sur l'ensemble de la gamme d'altitude, fournissant ce que l'on appelle des colonnes totales.

En soustrayant la contribution stratosphérique de la colonne d'ozone totale, il est en principe possible d'évaluer la colonne d'ozone troposphérique. Cette opération peut sembler simple, mais elle est très difficile en pratique, car ces instruments ne regardent jamais exactement aux mêmes endroits et aux mêmes moments. La soustraction directe entre différents instruments satellitaires n'est pas satisfaisante, et de meilleurs résultats sont recherchés en combinant ces observations avec des modèles par le biais de systèmes d'assimilation de données.

L’assimilation de données chimiques pour combiner différentes observations

L'assimilation de données chimiques consiste à combiner un modèle atmosphérique avec des données expérimentales pour fournir des analyses de la composition de l'atmosphère - y compris l'ozone - sur une grille régulière et à des moments réguliers. L’IASB contribue à la surveillance de l'ozone troposphérique de deux manières distinctes : par son propre système d'assimilation, BASCOE, et par la validation indépendante du système d'assimilation du service européen de surveillance de l’atmosphère Copernicus (CAMS).

Le BIRA-IASB a contribué à deux tentatives d'approche indirecte en 2021 et 2022. Dans la méthode dite "résiduelle", les observations de l'instrument satellitaire à haute résolution TROPOMI ont été utilisées pour les colonnes d'ozone total, et les observations de l'ozone stratosphérique par le sondeur de limbe MLS de la NASA ont été assimilées par BASCOE pour permettre des correspondances précises avec les emplacements des mesures TROPOMI.

Les différences entre colonnes totales TROPOMI et colonnes stratosphériques BASCOE fournit les colonnes d'ozone troposphérique. CAMS utilise une autre approche dans laquelle le système d'assimilation occupe une place centrale : toutes les observations satellitaires sont directement assimilées, ce qui permet d'analyser l'ozone à différents niveaux de la troposphère et de la stratosphère.

Bien que les comparaisons entre les colonnes d'ozone troposphérique obtenues par différentes méthodes soient encourageantes, des différences significatives subsistent dans certaines plages de latitude. La détermination des colonnes d'ozone troposphérique, un paramètre clé pour la surveillance de la qualité de l'air, reste donc un défi dans lequel l’IASB continue d'investir son expertise dans les techniques de validation et d'assimilation de données.

 

Sources:

Cartes mondiales approches d'assimilation de données TROPOMI BASCOE et CAMS
Cartes mondiales de la quantité d'ozone dans la troposphère (colonne verticale jusqu'à la tropopause, en unités Dobson), en mai 2020, en utilisant deux approches d'assimilation de données : les résidus TROPOMI-BASCOE développés par la DLR et l’IASB (panneau supérieur) ; et l’assimilation directe par service de surveillance de l’atmosphère Copernicus (panneau inférieur).