MétéoSuisse utilise différentes méthodes pour mesurer l'ozone dans la haute atmosphère. Les spectrophotomètres installés à Arosa jusqu’en 2021 puis à Davos mesurent la transmittance atmosphérique au rayonnement solaire à différentes longueurs d'onde dans l’ultraviolet. A partir de celles-ci, la quantité intégrée d'ozone dans la colonne d'air est déduite. Le profil d'ozone est quant à lui mesuré le matin et le soir par les spectrophotomètres (méthode Umkehr), A Payerne, des sondes d’ozone couplées au radiosondage mesurent régulièrement le profil d’ozone. Également en service à Payerne, un radiomètre micro-ondes permet de déterminer en continu la concentration d'ozone stratosphérique et mésosphérique entre 20 et 70 km d'altitude.

Mesure de la colonne d'ozone

Les spectrophotomètres mesurent l’absorption du rayonnement solaire à différentes longueurs d’onde dans le domaine spectral de l’UV (300-330 nm). La combinaison de ces mesures permet d'évaluer la quantité totale d’ozone contenue dans la colonne atmosphérique au-dessus de la station. Deux types de spectrophotomètres appelés Dobson et Brewer sont utilisés à Davos.

Spectrophotomètre Dobson et série de mesures de la colonne d’ozone totale observée par ce type d’instrument à Arosa/Davos depuis 1926.

Le spectrophotomètre Dobson mesure le rapport d’intensité de deux longueurs d’onde dont l’une est peu absorbée et l’autre fortement absorbée par l’ozone en traversant l’atmosphère. Ceci permet de déduire la quantité totale d’ozone. Pour supprimer des effets perturbateurs sur les mesures, trois paires de longueurs d’onde différentes sont mesurées et combinées entre elles. La mesure de la colonne d’ozone est automatisée comme illustré ci-dessus. La très longue série de mesures d’ozone d’Arosa/Davos, qui a débuté en 1926, est basée sur le spectrophotomètre Dobson.

Le spectrophotomètre Brewer mesure l’intensité absolue du rayonnement solaire sur quatre longueurs d’onde dans la plage spectrale UV 310 – 320 nm. La quantité d’ozone peut être déduite de la somme pondérée de ces quatre mesures indépendantes. Fonctionnant automatiquement et très fiable, cet instrument est en service à Arosa puis à Davos depuis plus de 35 ans.

Mesure du profil d'ozone par sondage

Une sonde d’ozone embarquée sur un ballon est lancée trois fois par semaine depuis Payerne. Les mesures sont effectuées en continu depuis 1966. La sonde d’ozone ECC est une cellule électrochimique dans laquelle la concentration d'ozone est mesurée grâce au courant d’une réaction red-ox impliquant l'ozone dans une solution tampon à base d'iodure de potassium. Couplée à une radiosonde lors du vol, la sonde d’ozone ECC fournit des profils verticaux d'ozone jusqu'à une altitude de 30-35 km avec une résolution de 150 m et une précision de 3-5 %.

Mesure du profil d'ozone par spectrophotométrie

En plus de la colonne totale d'ozone, les spectrophotomètres Dobson et Brewer mesurent deux profils d'ozone par jour. Au lever et au coucher du soleil, l'angle du soleil par rapport à l'horizon change progressivement. Cela signifie que le trajet de la lumière à travers l'atmosphère devient de plus en plus long et que la lumière est de plus en plus absorbée. Un profil d'ozone peut être déduit de la mesure de l'intensité de deux longueurs d'onde dans l'UV (l'une fortement absorbée par l'ozone et l'autre moins) à mesure que cet angle change. Les profils d'ozone sont donnés depuis la surface jusqu'à 50 km à une résolution de 5 à 10 km (méthode Umkehr). La série de profils d'ozone d'Arosa/Davos a débuté en 1956 et constitue la plus longue série temporelle Umkehr au monde.

Mesure du profil d'ozone par radiométrie micro-onde

Le radiomètre micro-onde Stratospheric Ozone Monitoring Radiometer (SOMORA) mesure les profils d’ozone par télédétection. On obtient le rapport de mélange volumique de l’ozone dans la stratosphère et dans la basse mésosphère avec une résolution verticale de 8 à 15 km et une résolution temporelle de 60 minutes. Développé par l'Institut de physique appliquée (IAP) de l'Université de Berne, le SOMORA est utilisé sans interruption en Suisse depuis janvier 2000. MétéoSuisse fournit les données SOMORA au centre de données du Network for the Detection of Atmospheric Composition Change (NDACC), un réseau international qui surveille l'état de l'atmosphère et ses changements.

La répartition verticale de l'ozone dans la stratosphère et la mésosphère inférieure est déduite de la mesure de la ligne spectrale d'ozone à 142,17 GHz. L'intensité de cette ligne est proportionnelle à la concentration d'ozone, sa largeur est tributaire de la pression atmosphérique, c'est-à-dire de l'altitude. La quantité d'ozone est donnée sous la forme du rapport nombre de molécules d'ozone par nombre total de molécules dans un volume d'air donné. Représentés sous la forme d’une série, les 24 profils d'ozone quotidiens donnent une suite chronologique, où l'on identifie bien la variation annuelle de la teneur en ozone (cycle annuel) à différentes altitudes.

Ozone total

Stübi, R., Schill, H., Klausen, J., Maillard Barras, E., and Haefele, A.: A fully automated Dobson sun spectrophotometer for total column ozone and Umkehr measurements, Atmos. Meas. Tech., 14, 5757–5769, https://doi.org/10.5194/amt-14-5757-2021, 2021.

Zhao, X., Fioletov, V., Redondas, A., Gröbner, J., Egli, L., Zeilinger, F., López-Solano, J., Arroyo, A. B., Kerr, J., Maillard Barras, E., Smit, H., Brohart, M., Sit, R., Ogyu, A., Abboud, I., and Lee, S. C.: The site-specific primary calibration conditions for the Brewer spectrophotometer, Atmos. Meas. Tech., 16, 2273–2295, https://doi.org/10.5194/amt-16-2273-2023, 2023.

Sondage ozone

Stauffer, R. M., Thompson, A. M., Kollonige, D. E., Tarasick, D. W., Van Malderen, R., Smit, H. G. J., et al. (2022). An examination of the recent stability of ozonesonde global network data. Earth and Space Science, 9, e2022EA002459, https://doi.org/10.1029/2022EA002459.

Jeannet, P., R. Stübi, G. Levrat, P. Viatte, and J. Staehelin (2007), Ozone balloon soundings at Payerne (Switzerland): Reevaluation of the time series 1967–2002 and trend analysis, J. Geophys. Res., 112, D11302, doi:10.1029/2005JD006862.

Umkehr

Maillard Barras, E., Haefele, A., Stübi, R., Jouberton, A., Schill, H. Petropavlovskikh, I., Miyagawa, K., Stanek, M., Froidevaux, L., Dynamical linear modeling estimates of long-term ozone trends from homogenized Dobson Umkehr profiles at Arosa/Davos, Switzerland, https://doi.org/10.5194/acp-22-14283-2022, 2022.

SOMORA

Maillard Barras, E., Haefele, A., Nguyen, L., Tummon, F., Ball, W. T., Rozanov, E. V., Rüfenacht, R., Hocke, K., Bernet, L., Kämpfer, N., Nedoluha, G., and Boyd, I.: Study of the dependence of stratospheric ozone long-term trends on local solar time, Atmos. Chem. Phys., https://doi.org/10.5194/acp-20-8453-2020, 2020.

Sauvageat, E., Maillard Barras, E., Hocke, K., Haefele, A., and Murk, A.: Harmonized retrieval of middle atmospheric ozone from two microwave radiometers in Switzerland, Atmos. Meas. Tech., 15, 6395–6417, https://doi.org/10.5194/amt-15-6395-2022, 2022.