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Mesures d'ozone

MétéoSuisse surveille la quantité d'ozone contenue dans l'atmosphère au-dessus de la Suisse avec différents appareils de mesure. Cette tâche est cruciale, parce que la couche d'ozone située dans la stratosphère filtre la majeure partie du rayonnement ultraviolet solaire nuisible.

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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 d’atmosphère au-dessus de la station. Deux types de spectrophotomètres appelés respectivement Dobson et Brewer sont en service à Davos.

Le spectrophotomètre Dobson mesure l’intensité différentielle de paires de 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. Un ordinateur contrôle la séquences d’opérations nécessaires à la mesure automatique de la colonne d’ozone comme illustré ci-contre. La très longue série de mesures d’ozone d’Arosa/Davos, qui a débuté en 1926, est basée sur ce type d’instrument.

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

Trois fois par semaine, MétéoSuisse mesure le profil d'ozone à l'aide d'une sonde attachée à un ballon aérologique. Le fonctionnement de la sonde est basé sur la réaction chimique des molécules d’ozone (O3) avec l'iodure de potassium (KI) contenu dans les capsules blanches visibles sur l’image ci-contre. L’air est pompé à l’extérieur d’un boitier puis dirigé dans la capsule contenant la solution chimique. Selon le principe d’une cellule électrochimique, la quantité d’ozone renfermée dans l’air peut ainsi être mesurée à l'aide d’un courant électrique circulant entre deux électrodes. Cet appareil est suffisamment léger pour effectuer l'ascension sous un ballon météorologique permettant ainsi la mesure précise et in situ du profil d’ozone depuis le sol jusqu’à une altitude de 30 à 35 km.

Mesure du profil d'ozone par spectrophotométrie

Les spectrophotomètres Dobson et Brewer mesurent deux profils d’ozone par jour par beau temps, un pendant le lever du soleil, l’autre pendant le coucher du soleil. La variation, en fonction de l’angle solaire zénithal, du rapport de l’intensité de deux longues d’ondes plus ou moins fortement absorbées par l’ozone permet d’obtenir des profils d’ozone d’une résolution de 5 à 10 km depuis le sol jusqu’à 50 km d’altitude (méthode Umkehr). La série de profils d’ozone d’Arosa/Davos a commencé en 1956 avec le Dobson et est la plus longue 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 (remote sensing). On obtient le rapport de mélange volumique de l’ozone dans la stratosphère et dans la mésosphère inférieure avec une résolution verticale de 8 à 15 km et une résolution temporelle de 60 minutes. Développé par l'Institut de physique appliquée de l'Université de Berne, le SOMORA est utilisé sans interruption en Suisse depuis le mois de janvier 2000. MétéoSuisse fournit les données SOMORA au réseau 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. Stu¨bi, 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.