Les aérosols : les mesures à MétéoSuisse

4 septembre 2019, 2 Commentaire(s)

Ce dernier blog sur les aérosols met en lumière les aspects techniques et les activités de MétéoSuisse dans ce domaine. Les mesures des aérosols permettent un suivi à long-terme de la concentration et des propriétés optiques et chimiques des aérosols pour la surveillance globale du climat et l’analyse des interactions entre les aérosols et les nuages. De plus, elles permettent de détecter et d’analyser des événements particuliers tels que le transport de poussières du Sahara, de cendres volcaniques ou consécutives aux feux de forêts. Les caractéristiques des aérosols sont mesurées à l'aide d’appareils de mesure in situ des réseaux de surface ainsi que par des instruments de télédétection.

Le ceilomètre installé à la Kleine Scheidegg et mesurant les aérosols au-dessus du Jungfaujoch (photo : G. Martucci).
Le ceilomètre installé à la Kleine Scheidegg et mesurant les aérosols au-dessus du Jungfaujoch (photo : G. Martucci).

Les propriétés optiques des aérosols et leur action sur le climat

Sur mandat de MétéoSuisse, l'Institut Paul Scherrer (PSI) effectue les mesures opérationnelles des aérosols à la station de recherche de haute altitude du Jungfraujoch. Ces mesures font partie de la contribution que la Suisse apporte au programme de veille de l'atmosphère globale (VAG) sous l’égide de l’Organisation mondial météorologique (OMM). Le suivi de la qualité et l'analyse des données à long terme sont accomplis en étroite collaboration avec la station aérologique de MétéoSuisse à Payerne. Dans ce cadre, les propriétés optiques des aérosols qui sont de première importance pour définir l’impact des aérosols sur le climat sont mesurées depuis 1995, ce qui confère aux mesures du Jungfraujoch le statut d’une des plus longues séries au monde. La concentration en nombre et en masse ainsi que la granulométrie et la composition chimique des particules sont aussi mesurées. En plus de ce site de mesure de haute altitude, divers instruments seront bientôt installés à Payerne afin de mieux caractériser les propriétés optiques des aérosols en plaine.

Le cycle saisonnier bien visible sur la longue série de mesures ci-dessus montre clairement que la pollution émise sur le plateau Suisse et dans la vallée du Po est transportée par convection des masses d’air chaudes jusqu’au Jungfraujoch en été alors que la station reste dans les couches peu polluées de la basse troposphère pendant l’hiver. Les mesures du Jungfraujoch permettent aussi de détecter automatiquement la présence de poussières du Sahara et de générer une alerte. Des campagnes de mesures en lien avec l’étude de l’interaction entre les aérosols et les nuages ont lieu presque chaque année sur le site du Jungfraujoch .

Mesure de la profondeur optique des aérosols

La présence d’aérosols dans l’atmosphère masque le rayonnement solaire. Cette extinction de la lumière liée à la présence de particules est par exemple bien visible par la couleur brunâtre du ciel au-dessus des villes ayant une forte pollution. De la même manière, on peut parfois estimer visuellement la hauteur de la couche atmosphérique la plus polluée appelée couche de mélange. Par exemple, la photo ci-dessous prise à Croce di Fana (2200m) le 21 octobre 2017 montre clairement la limite de la couche de mélange à mi-hauteur des pentes montagneuses et son hauteur à 2000 m a été mesurée par télédétection.

L'opacité de l'atmosphère qui indique le degré d'atténuation de la lumière solaire par les aérosols contenus dans toute la colonne atmosphérique est appelée « profondeur optique des aérosols ». Elle est mesurée depuis le milieu des années 1990 aux quatre stations du réseau de MétéoSuisse de mesures climatiques assurant la surveillance du rayonnement pour le climat alpin (SACRaM) soit à Payerne, à Locarno-Monti, à Davos et au Jungfraujoch.  La profondeur optique des aérosols constitue une variable importante pour estimer les changements climatiques.

Les profils atmosphériques des aérosols

MétéoSuisse observe et analyse aussi les aérosols à l'aide d'instruments de télédétection délivrant les profils verticaux de certains paramètres des aérosols. MétéoSuisse exploite deux différents types d'instruments LIDAR (Light Detection And Ranging) à la station aérologique de Payerne. Les LIDAR fonctionnent en émettant un faisceau laser, puis mesurant la réémission du signal par les molécules et les particules atmosphériques. Les systèmes LIDAR plus simples et moins puissants appelés ceilomètres permettent la télédétection des couches d’aérosols et de la base des nuages. MétéoSuisse a construit à la demande de la REGA un réseau de 34 ceilomètres pour améliorer les possibilités de vols en cas de conditions météorologiques difficiles et de tels instruments sont aussi installés dans tous les aéroports.

Les évènements particuliers

Toutes ces mesures des aérosols sont utilisées pour la compréhension et l’analyse d’évènements particuliers tels que les incursions de poussières du Sahara, les transports des fumées des feux de forêts ou des cendres volcaniques (voir blogs des 31 mai 2016, 24 août 2017, 30 août 2017, 5 juillet 2018 et 24 avril 2015). D’une manière générale, ces instruments de télédétections mesurent la structure complexe de la basse troposphère. Les mesures du  LIDAR Raman de Payerne visibles sur la figure ci-dessous montre  les huit premiers kilomètres de la troposphère durant toute la journée du 30 mars 2014. Deux masses d'air différentes étaient alors transportées vers la Suisse. Une masse d’air en provenance du nord du Sahara et riche en poussières minérales est détectée à entre 4 et 6 km d’altitude. Plus bas, à une altitude entre 1,5 et 3 km, on trouve des masses d'air d’origine du nord de l’Italie (vallée du Po), riche en sulfates et en aérosols.

Affichage aggrandi: Source : MétéoSuisse
Source : MétéoSuisse

Conclusion

Cinq blogs ont été consacrés aux aérosols et ils vous ont probablement permis de vous rendre compte que les aérosols sont une composante importante des processus atmosphériques et des changements climatiques. Ils sont systématiquement mesurés dans les réseaux de mesure au sol depuis une petite trentaine d’année et les systèmes de mesure par télédétection sont en pleine expansion dans le monde. Le réseau de ceilomètre européen sous l’égide d’E-PROFILE, un programme d’EUMETNET, est actuellement coordonnée par MétéoSuisse et permet d’avoir une vision globale de la charge en aérosol ou de la base des nuages.

Affichage aggrandi: Logarithme de la retro-diffusion des aérosols mesuré par les ceilomètres du réseau d’E-PROFILE le 28 août 2018. La prévision de la profondeur optique (couleur en arrière fond) a été calculée par le modèle CAMS.
Logarithme de la retro-diffusion des aérosols mesuré par les ceilomètres du réseau d’E-PROFILE le 28 août 2018. La prévision de la profondeur optique (couleur en arrière fond) a été calculée par le modèle CAMS.

Certains modèles atmosphérique tels que CAMS (Copernicus Atmosphere Monitoring Service) ou BSC (Barcelone Super Computer) émettent des prévisions pour différents types d’aérosols. De nombreux projets de recherche dans d’autres domaines portent sur la production d’aérosols pour des applications industrielles ou médicales, leurs transports, leur toxicité et les mesures de leurs propriétés. Les aérosols sont ainsi un sujet complexe, extrêment intéressant et incontournable qui touche à de nombreux domaines scientifiques de la physique des matériaux, de la médecine et des sciences de l’environnement.

Commentaires (2)

  1. titus.thornber, 21.09.2019, 11:25

    Bonjour Meteosuisse- - S'il vous plaît est ce que vous mesurez les niveau d'oxygène dans l'atmosphère? Surtout dans les grand s villes, où à cause de combustions des moteurs de véhicules, il y a des rapports que le niveau d'oxygène sont bas et peuven être une raison de problèmes respiratoires au même titre que des pollens et la pollution qui sont publier.

    1. MétéoSuisse, 23.09.2019, 18:18

      Nous ne mesurons pas l'oxygène chez MétéoSuisse. Les concentrations dans l'atmosphère ne varient que très faiblement. Dans les villes, ce surtout les concentrations importantes de particules fines qui peuvent poser des problèmes de santé, mais l'oxygène y est toujours en quantité suffisante. Vous trouverez des informations sur la qualité de l'air en Suisse sur le site de l'Office fédéral de l'environnement. https://tinyurl.com/yyv6734h