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Evaluation des futures observations d'ozone stratosphérique par ALTIUS

News flash intro
ALTIUS est un microsatellite faisant partie du programme « Earth Watch » de l’ESA, initié par l’IASB, et dont le but est la surveillance de la couche d’ozone. Par microsatellite, on entend un prix bien moins élevé que pour la plupart des missions passées. Afin de prouver le potentiel scientifique des mesures ALTIUS, nous avons simulé ces données et évalué comment elles pouvaient contraindre un modèle de la couche d'ozone. En comparant ces résultats avec ceux obtenus par l'instrument satellitaire de référence MLS de la NASA, nous avons pu confirmer la valeur de cet instrument économique.
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Pourquoi devons-nous surveiller la couche d'ozone ?

La couche d'ozone stratosphérique est un élément essentiel du système terrestre. En absorbant les rayons solaires ultraviolets, elle protège la surface de la Terre des rayonnements nocifs. Les émissions en surface de composés halogénés, dont la production a été progressivement interdite après la signature du protocole de Montréal en 1987, sont encore responsables de la réduction de la couche d'ozone dans le monde. La surveillance de la composition de la stratosphère - et de l'ozone en particulier - est donc cruciale.

Pourquoi ALTIUS ?

L'observation globale de la distribution de l'ozone stratosphérique est réalisée depuis plus de 40 ans par des instruments de télédétection par satellite. Plusieurs techniques de mesure ont été développées, chacune ayant ses avantages et ses inconvénients.

  • Les instruments mesurant dans la partie infrarouge ou micro-onde du spectre électromagnétique ont l'avantage de fournir des observations pendant le jour et la nuit de l'orbite du satellite - couvrant ainsi la nuit polaire - avec par conséquent une couverture spatiale relativement bonne (voir par exemple la Fig. 1b pour le Microwave Limb Sounder - MLS de la NASA). Par contre, ils sont relativement coûteux en raison de la technologie utilisée et de leur poids (des satellites lourds impliquent leur envoi en orbite par de grandes fusées, d'où un coût plus élevé).
  • Les instruments mesurant dans les régions spectrales ultraviolette (UV) et visible (VIS) sont plus abordables, mais leur couverture spatiale était jusqu'à présent limitée.
    • Les instruments mesurant l'occultation solaire, c'est-à-dire la lumière solaire traversant le limbe de l'atmosphère, étaient limités à deux profils par orbite.
    • Ceux mesurant la lumière solaire diffusée par le limbe étaient limités au côté jour de l'orbite.
    • Et enfin, ceux qui mesurent les occultations stellaires ou planétaires étaient limités au côté nuit de l'orbite, mais avec beaucoup moins de profils que dans le mode du limbe lumineux.

La mission ALTIUS, initiée par l’IASB et actuellement dans sa phase de développement avancée, sera le premier instrument UV-VIS qui combine ces trois modes de mesure pour maximiser sa couverture spatiale (voir Fig. 1a).

Valeur d'ALTIUS

Nous avons comparé la valeur d'ALTIUS avec l'instrument de référence MLS de la NASA en utilisant une expérience de simulation du système d'observation (OSSE).

Dans une première expérience, les profils d'ozone MLS ont été ingérés dans le modèle stratosphérique de l’IASB, BASCOE, ce qui nous a fourni un "état d'ozone MLS".

En combinant l'état d'ozone MLS obtenu avec un simulateur de l'instrument ALTIUS, nous avons pu générer des profils d'ozone ALTIUS synthétiques. Ces profils ont également été ingérés dans BASCOE fournissant l'"état d'ozone ALTIUS".

Le bon accord entre les deux états (voir Fig. 2) confirme que les instruments UV-VIS pourraient poursuivre la surveillance de la couche d'ozone.

 

Référence

Errera, Q., Dekemper, E., Baker, N., Debosscher, J., Demoulin, P., Mateshvili, N., Pieroux, D., Vanhellemont, F., and Fussen, D. (2021). On the capability of UV-VIS limb sounders to constrain modelled stratospheric ozone and its application to the ALTIUS mission. Atmospheric Measurement Techniques Discussions [preprint] . https://doi.org/10.5194/amt-2020-512 Open Access logo

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Figure 2 caption (legend)
Figure 1 : Couverture quotidienne simulée d'ALTIUS (a) comparée à la couverture réelle d'Aura MLS (b) le 26 juin 2009. Pendant le jour, ALTIUS mesure la lumière solaire diffusée par l'atmosphère du limbe de la Terre (petits points bleus). Au moment de la transition entre le jour et la nuit ou entre la nuit et le jour, il mesure les occultations solaires (points jaunes). Pendant la nuit, il mesure les occultations stellaires ou lunaires (étoiles rouges ou diamants verts, respectivement). MLS mesure de jour comme de nuit l'émission de l’atmosphère terrestre dans les micro-ondes (petits points bleus).
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Figure 3 caption (legend)
Figure 2 : Distribution de l'ozone (en parties par million en volume - ppmv) à environ de 25 km d'altitude le 15 sept. 2009, c'est-à-dire pendant le développement du trou d'ozone, d'après (a) l'"état d'ozone ALTIUS" et (b) l'"état d'ozone MLS". Malgré plusieurs différences locales, l'accord est généralement bon.
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