1. Problématique
Le changement de la composition en CO2 et en gaz réactifs de l’atmosphère et son impact sur le climat et l’environnement a fait l’objet d’une recherche accrue ces quinze dernières années. Cette montée en puissance scientifique s’accompagne aujourd’hui de liens importants vers la société et l’aide à la mise en place des politiques climatiques. La crédibilité des politiques de réduction des émissions de gaz traces ayant des implications climatiques et environnementales repose sur la mise en place d’observations qui mesurent de manière indépendante leur impact sur la perturbation atmosphérique. Ces observations permettent une vérification indépendante des inventaires d’émission non seulement pour le CO2 (Figure 1a) mais aussi pour les autres gaz à effet de serre CH4, N2O et SF6 et les précurseurs de l’ozone troposphérique (Figure 1b) tels que le CO et les NOx.
Le changement de la composition en CO2 et en gaz réactifs de l’atmosphère et son impact sur le climat et l’environnement a fait l’objet d’un effort de recherche international sans précédent ces quinze dernières années. Cette montée en puissance scientifique s’accompagne aujourd’hui de liens importants vers la société et du besoin d’apporter des options pour les politiques climatiques de mitigation des gaz à effet de serre. La crédibilité des politiques de réduction des émissions de gaz à effet de serre et de polluants globaux repose sur la mise en place d’observations qui mesurent de manière indépendante leur impact sur la perturbation atmosphérique. Ces observations atmosphériques permettent d’apporter des éléments pour quantifier les flux naturels de CO2 (Figure 1a) et pour contraindre les sources anthropiques et naturelles des autres gaz à effet de serre CH4, N2O et SF6 et les précurseurs de l’ozone troposphérique (Figure 1b) tels que le CO et les NOx.
Figure 1a : Evolution des concentrations atmosphériques de CO2 dans les observatoires de l'Ile Amsterdam (rouge), de Mace Head en Irlande (bleu), du Puy de Dôme (vert), et de Hanle en Inde (orange).Chaque point représente une moyenne journalière calculée à partir des mesures en continu.
Evolution du rapport de mélange de l’ozone en haute troposphère au dessus de l’Europe (ppbv). Observations des avions commerciaux du Service d’Observation MOZAIC. Adapté de Thouret et al., 2006.
2. Objectifs et synergies
Le SOERE GREAT-gases ‘Greenhouse and REAcTive gases’ a pour objectif d’intégrer les activités d’observation de recherche sur les gaz à effet de serre et les gaz réactifs. Il s’appuie sur le regroupement des services d’observation nationaux RAMCES Réseau Atmosphérique de Mesure des Composés à Effet de Serre et MOZAIC Measurement of OZone and water vapour by AIrbus in-service airCraft qui sont intégrés dans les deux grandes infrastructures Européennes ESFRI ICOS (www.icos-infrastructure.eu) et IAGOS (www.iagos.org), et sur l’intégration de leurs bases de données dans le Pôle de Compétences en Chimie Atmosphérique ETHER (ether.ipsl.jussieu.fr). La mission principale du SOERE GREAT-gases est l’observation à long terme de la composition atmosphérique en gaz à effet de serre et en gaz réactifs qui affectent la chimie de l’atmosphère et le climat global. Pour les gaz à effet de serre l’objectif scientifique est de déterminer les flux de CO2 et CH4 à la surface à partir des données atmosphériques (Figure 2), et en utilisant l’information disponible sur les processus d’échange du carbone des écosystèmes terrestres et de l’océan. Pour les gaz réactifs, l’objectif scientifique est de cerner les composantes du bilan de l’ozone troposphérique qui cumule les rôles de 3ème gaz à effet de serre, d’oxydant majeur de la troposphère et de polluant toxique dans la couche limite atmosphérique.
Figure 2 : Distribution des flux annuels de CO2 (gC.m-2.an-1) européens en 2008 déduits de l'inversion des mesures atmosphériques (CARBOSCOPE: www.carboscope.eu). Les valeurs positives représentent des émissions vers l''atmosphère, et les valeurs négatives des puits de carbone.
Les réseaux de mesures ICOS et IAGOS sont complémentaires à plusieurs titres : en termes d’espèces mesurées et de couverture spatiale. ICOS mesure principalement le cycle des gaz à effet de serre (CO2, CH4, N2O, SF6, …), mais aussi des mesures CO et des mesures de hauteurs de couche limite (paramètre fondamental pour la météorologie et pour le calcul des flux de surface de gaz à effet de serre). IAGOS mesure principalement le bilan des gaz réactifs (O3, CO, H2O, NOx) mais aussi des mesures de gaz à effet de serre (CO2, CH4), des aérosols, et des nuages. Ces mesures permettent une meilleure compréhension dans l’atmosphère des processus physico-chimiques, des échanges stratosphère-troposphère, du transport intercontinental et convectif, et des processus de production/destruction/dépôt.
Le SOERE dans sa phase initiale a pour mandat d’associer les mesures de flux de CO2 échangés à l’interface air/mer dans les services d’observation CARAUS (Carbone Austral), PIRATA (Pilot Research Moored Array in the Tropical Atlantic), et CO2-SSS (Sea Surface Salinity). Une identification des bases de données de flux de CO2 entre ces observatoires océaniques et ICOS sera effectuée afin de disposer d’une contrainte indépendante sur les échanges de CO2 apportée par les mesures océaniques. Amoyen terme, la création d’un SOERE carbone océan pourrait être recommandée par la communauté.
3. Des réseaux de mesure
ICOS est un réseau de stations de surface (tours et avions de recherche) couvrant surtout le continent européen (Figures 4 & 6) et un réseau océanique en cours de définition (Figure 7). IAGOS est un réseau d’avions commerciaux long-courriers ayant une couverture globale (Figure 5). Un outil de network design doit permettre d’optimiser les évolutions futurs des réseaux afin d’assurer la couverture spatiale optimale en matière de données. Un axe important à développer sera celui de la densification régionale des réseaux afin de pouvoir établir des bilans régionaux des gaz à effet de serre et gaz réactifs.
Figure 4 : Le réseau de mesures des gaz à effet de serre dans l'atmosphère et à la surface des océans. Rouge : Service d'Observations RAMCES, intégré dans ICOS. Vert : stations associées au projet ICOS. Gris : projet de stations. Jaune : sites de prélèvements hebdomadaires d'échantillons d'air analysés au laboratoire central RAMCES à Gif-Sur-Yvette. Blanc: trajets et bouées de mesure de CO2 à la surface des océans.
Figure 6 : Observatoires de mesures des gaz à effet de serre à Mace Head, Irlande (gauche), Trainou en Forêt d'Orléans (centre), et Hanle en Inde (droite)
Figure 7 : Mesure des échanges de CO2. à l'interafce air/mer à partir des navires océanographique Marion-Dufresne et Astrolabe (service d'observation CARAUS), du navire marchand Rio Blanco, et d'une bouée du réseau PIRATA équipée d'un capteur CARIOCA.Figure 5 : Les réseaux internationaux de mesures in-situ des gaz réactifs et des gaz à effet de serre par les avions commerciaux. Jaune : Service d’Observations MOZAIC (1994-2010), maintenant faisant partie de l’infrastructure de recherche IAGOS. Violet : projet CONTRAIL – Japan Airlines Foundation (1993-2010). Bleu : projet de recherche européen NOXAR (1995-1996). Vert : projet de recherche européen CARIBIC 1997-2002, 2005-2010), maintenant faisant partie de l’infrastructure de recherche IAGOS. La carte est établie pour les observations 1993-2005.
Figure 8 : Avion long-courrier d’Air France (Airbus A330). L’instrumentation MOZAIC-IAGOS est installée à l’avant dans la baie avionique, sous le cockpit du pilote. Elle est entièrement automatique.
Un développement dans ce sens a été proposé dans la proposition Equipex GHG-SCOPE en 2010. Des études d’opportunités seront conduites afin d’estimer l’intérêt de co-localiser des mesures ICOS proche des aéroports faisant partie du réseau IAGOS. La stratégie de développement de super-sites sera poursuivie. Ces sites équipés à la fois avec des mesures au sol mais aussi des mesures intégrées selon la verticale (FTIR) permettent de faire le lien entre la surface, la dimension verticale et donc les mesures aéroportées et les mesures faites depuis l’espace. Des rapports d’expert développant les implications possibles seront produits et diffusés. Au sein d’ICOS la co-localisation des sites atmosphériques et écosystèmes sera aussi étudiée.
Le Service d’Observation MOZAIC-IAGOS utilise des avions commerciaux (en service dans des compagnies aériennes internationales telles que Air France, Lufthansa, Austrian, Air Namibia, …) comme des plateformes d’observations in-situ de l’atmosphère (Figure 8). L’intérêt de ce type de plateforme d’observation est la forte fréquence des vols (> 340 jours d’activité par an), la grande couverture géographique (vols inter-continentaux à partir d’une base en Europe), et l’exploration verticale de la troposphère et de la basse stratosphère (0 – 12 km d’altitude). La base de données MOZAIC-IAGOS contient actuellement les données toutes les 4 secondes de plus de 31000 vols intercontinentaux effectués depuis 1994 à partir de Paris, Francfort, et Vienne, principalement.
4. Une plateforme technologique
Les infrastructures Européennes ICOS et IAGOS s’appuient sur des plateformes de métrologie qui servent à assurer la maintenance et à développer les capteurs des réseaux présents et futurs (Figure 9). Ces plateformes sont en contact avec les universités, le secteur privé et un réseau d’industriels pour ce qui est de la validation des stations de mesures et le développement d’instruments innovants. Dans chaque laboratoire, des instruments reliés aux standards internationaux permettent d’assurer la cohérence et la précision du réseau de mesure, et son intégration dans les systèmes internationaux GEOSS. Des développements instrumentaux permettent de mesurer de nouvelles espèces.
Figure 9 : Réglages des analyseurs à haute précision de CO2 à Gif sur Yvette (gauche) et Ivittuut, Groenalnd (milieu), et d'O2 à Ivittuut (droite).
L’instrumentation du Service d’Observation MOZAIC-IAGOS (Figure 10) fonctionne dans un environnement de travail très difficile (contraintes de certification aéronautiques, faible fréquence des interventions et de la maintenance, vibrations et chocs dans les zones de turbulence, …) et se doit cependant d’effectuer des mesures très précises dans le but d’évaluer des tendances des espèces à long terme. Elle repose sur des technologies éprouvées, telles que l’absorption UV (IR) pour l’ozone (le monoxyde de carbone) et évolue vers des technologies plus novatrices (e.g. spectroscopie d’absorption dans des cavités optiques) pour la mesure des gaz à effet de serre (CO2, CH4).
Figure 10 : A gauche : Instrumentation IAGOS en test sur un Airbus A340 Lufthansa (Novembre 2009). En haut en bleu, les instruments de mesure de l’ozone, du monoxyde de carbone, de la vapeur d’eau et des gouttelettes de nuage. Au milieu, l’instrument de mesure des oxydes d’azote et ses bouteilles de calibration. En bas, le panneau de contrôle de l’instrumentation. A droite : Le hublot extérieur pour les prises d’air (2 sondes Rosemount et un tube Pitot) et pour la visée laser de la sonde nuage.
5. Coordination
Coordination
Coordinateur ICOS:
Ciais Philippe, Directeur de Recherche au CEA, Laboratoire des Sciences du Climate et de l’Environnement (CEA/CNRS/UVSQ). Tél : 01 69 08 95 06. Email : philippe.ciais@lsce.ipsl.fr
Points focaux ICOS-France :
- Projet ICOS: Rivier Léonard, Ingénieur CEA au Laboratoire des Sciences du Climate et de l’Environnement (CEA/CNRS/UVSQ). Tél : 01 69 08 71 22. Email : leonard.rivier@lsce.ipsl.fr
- Atmosphère: Ramonet Michel, Chercheur CNRS au Laboratoire des Sciences du Climate et de l’Environnement (CEA/CNRS/UVSQ). Tél : 01 69 08 40 14. Email : michel.ramonet@lsce.ipsl.fr
- Océans: Lefevre Nathalie, Chercheur à l’Institut de Recherche pour le Developpement. Tél: 01 44 27 38 21. Email: nathalie.lefevre@locean-ipsl.upmc.fr
- Ecosystèmes: Loustau Denis, Directeur de Recherche à l’INRA, EPHYSE. Tél: 05 57 12 24 24. Email: loustau@pierroton.inra.fr ; et Joffre Rolland, Directeur de Recherche au CNRS, Centre d’Ecologie Fonctionnelle et Evolutive. Tél: (0)4 67 61 32 24. Email: Rolland.Joffre@cefe.cnrs.fr
Coordinateur IAGOS-France:
Cammas Jean-Pierre, Physicien CNAP à l’Observatoire Midi-Pyrénées, Laboratoire d’Aérologie (CNRS et Université Paul Sabatier), Toulouse. Tél : 05 61 33 27 71. Email : Jean-Pierre.Cammas@aero.obs-mip.fr
Points focaux IAGOS-France :
- Science : Thouret Valérie, Physicien-Adjoint CNAP à l’Observatoire Midi-Pyrénées, Laboratoire d’Aérologie (CNRS et Université Paul Sabatier), Toulouse. Tél : 05 61 33 27 40. Email : Valerie.Thouret@aero.obs-mip.fr
- Instrumentation : Nédélec Philippe, Ingénieur de Recherche CNRS au Laboratoire d’Aérologie (CNRS et Université Paul Sabatier) Toulouse. Tél : 05 61 33 27 34. Email : Philippe.Nedelec@aero.obs-mip.fr
- Applications temps réel : Fernand Karcher, Ingénieur Météo-France, Centre National de Recherches Météorologiques, Toulouse. Tél : 05 61 07 93 49. Email : Fernand.Karcher@meteo.fr
6. Partenaires & Programmes associés
ADEME : Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie
CEA: Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives
CNES : Centre National d’Etudes Spatiales
CNRM : Centre National de Recherches Météorologiques, Météo-France
CNRS : Centre National de la Recherche Scientifique
INRA : Institut National de la Recherche Agronomique
LA : Laboratoire d’Aérologie, CNRS & Université de Toulouse
LEGOS: Laboratoire d’Etudes en Géophysique et Océanographie Spatiales
LOCEAN: Laboratoire d’Océanographie et du Climat: Expérimentation et Approches Numériques
LSCE: Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (CEA/CNRS/UVSQ)
Météo-France
Observatoire Midi Pyrénées
Université de Toulouse
Université de la Réunion
Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines
ICOS: Integrated Carbon Observation System (www.icos-infrastructure.eu)
IAGOS: In-service Aircraft for a Global Observing System (www.iagos.org)
RAMCES: Réseau Atmosphérique de Mesure des Composés à Effet de Serre (ramces.lsce.ipsl.fr)
MOZAIC: Measurement of OZone and water vapour by AIrbus in-service aircraft (mozaic.aero.obs-mip.fr)
CARAUS: Carbone Austral (caraus.ipsl.jussieu.fr)
PIRATA: Prediction and Research Moored Array in the Tropical Atlantic (www.ifremer.fr/ird/pirata/index_fr.php)
CO2-SSS: Sea Surface Salinity (www.legos.obs-mip.fr/en/observations/sss/)
