Composition et évolution de l’atmosphère terrestre

Vers une meilleure compréhension des interactions entre chimie

et climat par des observations spatiales

 

Pierre-François Coheur

 

Découvrez le fonctionnement de l'instrument exceptionnel que représente le sondeur IASI qui est utilisé dans le cadre de ce projet:

 

1 LE ROLE DES GAZ REACTIFS DANS L’ATMOSPHERE

 

Les activités humaines ont fortement modifié l’équilibre du système atmosphérique au cours des dernières décennies.

 

Bien que l’attention soit actuellement principalement portée sur l’évolution des gaz à effet de serre, il existe un besoin pressant concernant le suivi des composés contrôlant la réactivité de l’atmosphère.

 

Ces gaz à courte durée de vie sont en effet ceux qui sont impliqués dans la qualité de l’air et certains contribuent indirectement au budget radiatif via une multitude d’interactions chimie-climat, pour la plupart mal connues. Ce projet vise à exploiter les mesures réalisées à l’échelle du globe par des instruments embarqués sur satellites pour améliorer notre connaissance des mécanismes régulant les distributions des principaux composés réactifs.

 


 

2 LES SATELLITES PERMETTENT AUJOURD’HUI D’APPREHENDER LA COMPLEXITE DES PROCESSUS A L’ECHELLE PLANETAIRE

 

Contrairement à la situation pour les gaz à effet de serre, les observations de polluants réactifs n’ont été initiées que récemment.

 

Pourtant étudier cette problématique permettrait d’aborder des  questions centrales  concernant l’état de l’atmosphère et aux impacts des perturbations anthropiques.

 

Les sondeurs embarqués sur les satellites d’observation ont récemment montré des potentialités exceptionnelles pour mesurer les concentrations de plusieurs polluants atmosphériques, globalement et quotidiennement.

 

L’instrument IASI a notamment permis de faire une percée impressionnante dans ce domaine en apportant des mesures d’espèces importantes jamais observées auparavant. Les outils d’analyse développés dans le groupe, à la pointe au niveau international, permettent une exploitation unique de ces mesures.

 

Notre recherche exploite prioritairement les observations des sondeurs opérant dans l’infrarouge thermique.

Elle a pour objectif d’identifier et d’élucider les processus « rapides » se déroulant dans l’atmosphère à l’échelle moléculaire et de les relier à des préoccupations environnementales globales.

 

Elle s’attachera en priorité à préciser les liens entre la pollution de l’air, la chimie et les changements climatiques.

 

Notre recherche s’attachera en priorité à préciser les liens entre la pollution de l’air, la chimie et les changements climatiques.

 

 

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Les différentes étapes de l’analyse des données spatiales, de l’observation spectrale à l’analyse des distributions globales des polluants atmosphériques.


3 Etudier la molécule dans son milieu pour mieux

comprendre son rôle dans le système terre

 

 

Les espèces réactives jouent un rôle primordial dans les problématiques atmosphériques : A proximité de la surface elles affectent la santé et les écosystèmes, mais plus globalement et par leur rôle de précurseurs d’ozone troposphérique et d’aérosols secondaires, elles ont un impact indirect sur le budget radiatif de la terre et donc sur son climat.

 

Les relations complexes entre les émissions de ces composés et leur transformation dans l’atmosphère constituent une importante source d’incertitudes pour notre connaissance de l’évolution tant de la qualité de l’air que du climat futur (Figure 1). Elles soulignent le besoin urgent de mesures de qualité et s’étalant sur le long terme pour les espèces réactives.

 

Ces mesures constituent cependant un véritable défi étant donné que ces espèces à relativement courtes durée de vie n’existent dans l’atmosphère qu’en concentrations infimes et qu’elles sont extrêmement variables dans le temps et l’espace.

 

Des avancées majeures ont été réalisées ces dernières décennies dans l’observation de l’un ou l’autre composé de ce type (par exemple le monoxyde de carbone, le dioxyde d’azote) mais elles restaient insuffisantes pour appréhender la variété et la complexité des mécanismes « rapides » se déroulant dans l’atmosphère.

 


 


4 Des observations spatiales aux mécanismes atmosphériques

 

Notre projet repose sur l’idée que les sondeurs embarqués de nouvelle génération, utilisés seuls, en combinaison ou constellation, permettent désormais d’accéder à une vision globale et multiple des émissions et de la réactivité atmosphérique, qu’il est impossible de reproduire dans les laboratoires.

 

Ils offrent par conséquent la possibilité inédite d’étudier les mécanismes directement dans le milieu où ils s’y déroulent, et ceci jusqu’à la dimension moléculaire.

 

Si l’approche est résolument observationnelle, visant à exploiter les mesures spatiales jusqu’au maximum de leurs capacités, elle n’a de sens que soutenue par des études fondamentales sur l’interaction lumière matière, la réactivité chimique, la modélisation géophysique.

 

S'appuyant sur cette combinaison, le projet abordera des questions centrales pour notre compréhension du système, comme le cycle diurnes des émissions de polluants réactifs, leur dégradation en espèces secondaires -y compris les aérosols-, la contribution de chacun au budget radiatif. Les composés azotés  et soufrés feront en particulier partie de nos préoccupations.

 

 

 


 

5 EXAMINER LA VARIABILITE DE LA COMPOSITION DE LA TROPOSPHERE PAR UNE APPROCHE MULTI-ECHELLE

 

Le défi du projet sera de ramener les observations faites depuis les sondeurs en orbite, combinées pour obtenir une vision aussi précise que possible de la variabilité spatiale et temporelle de la composition de la troposphère, aux principaux mécanismes régulant cette variabilité.

 

Les mécanismes en question concernent autant les cycles des émissions et de déposition à l’échelle globale, que la physico-chimie moléculaire, nécessaire pour élucider la réactivité et les impacts radiatifs.

 

Dans cette optique il s’agira de combiner des approches et des expertises complémentaires.

 

Au niveau observationnel, il faudra développer des outils sophistiqués (méthodes de transfert radiatif et d’inversion), permettant de restituer des distributions de concentrations pour les espèces réactives sur base des signaux généralement très faibles dans les mesures spatiales.

 

Au niveau microscopique, il faudra investiguer, par exemple via des simulations moléculaires, la réactivité de ces polluants primaires sous différentes conditions atmosphériques, les mécanismes régissant la formation de composés secondaires et en particulier des petits agrégats gazeux menant à la formation d’aérosols.

 

Le lien entre les deux thématiques et les différentes échelles sera assuré par une recherche originale, qui visera à établir sur bases des observations, des relations empiriques entre les concentrations de différents polluants dans l’atmosphère, et la dépendance de celles-ci avec la variabilité des émissions et des conditions thermodynamiques rencontrées.

 

 

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Représentation schématique des principaux composés observés par IASI et des thématiques environnementales qui s’y rapportent

 

 

6 Expertise du groupe de spectroscopie atmosphérique

Le groupe de spectroscopie atmosphérique fait partie du service de Chimie Quantique et Photophysique, qui a pour dénominateur commun l’atome et la molécule en phase gazeuse, lesquels sont étudiés sur le plan expérimental et théorique en laboratoire ou dans des enveloppes gazeuses naturelles.

 

Les activités de notre équipe concernent principalement la spectroscopie et le transfert radiatif dans l’infrarouge thermique, et les applications de ces techniques et modèles pour la mesure de la composition gazeuse des atmosphères, en particulier de l’atmosphère terrestre.

 

Le groupe est constitué d’une douzaine de chercheurs et a la particularité de rassembler des compétences provenant de différents domaines des sciences fondamentales. Il rassemble aujourd'hui, autour de la télédétection spatiale et des sciences de l'environnement, huit chimistes et physiciens mais aussi trois ingénieurs, un géologue et une océanographe.

Il dispose d’une expertise mondialement reconnue pour l’analyse des mesures réalisées par des instruments optiques de haute résolution spectrale embarqués sur satellites, ainsi que pour l’étude de processus atmosphériques. Grâce au lien qu’il entretient avec LATMOS (Paris), son partenaire privilégié, il occupe une place dominante dans  l’exploitation des données du sondeur européen IASI. Il contribue également à d’autres missions spatiales, tels ACE-FTS (Canada), TANSO/GOSAT (Japon).

 


 

7 BUDGET ET FINANCEMENT

Le projet aborde les problématiques par deux pans diamétralement opposés, l’un s’attachant à la compréhension des mécanismes microscopiques et l’autre à l’observation et la modélisation globale des processus, pour finalement les rassembler.

 

Dans cette optique il s’agit d’étendre l’expertise actuelle du groupe, principalement axée sur le transfert radiatif, en y associant les compétences de deux chercheurs confirmés, à savoir un physico-chimiste et un géophysicien, ainsi qu’un chercheur en thèse faisant un lien innovant entre les deux aspects.

 

 

Le projet permettrait d’accueillir un chercheur étranger de premier rang.

 

Le projet nécessite également d’augmenter l’infrastructure informatique existante par la mise en place d’un système de traitement et d’archivage des données spatiales, plus flexible et orienté « recherche »que celui existant.

 



RESSOURCES HUMAINES

2 post-doctorants seniors

950 000 €

1 bourse de thèse

150 000 €

Chercheur visiteur (3x1 mois)

25 000 €

FONCTIONNEMENT

 

Chaîne de traitement/archivage des données satellites

30 000 €

Logiciels scientifiques

Maintenance cluster

Consommables

Séjours de recherche, échanges, conférences, workshops.

 

10 000 €

15 000 €

7 500 €

17 500 €

Budget Total

1 205 000 €


coheur

Pierre-François Coheur.

Né en 1971. Docteur en chimie (1999) et Agrégé de l'Enseignement Supérieur (1994). Chercheur qualifié du FNRS et Maître de Conférence à l’ULB où il enseigne la chimie de l’atmosphère, la spectroscopie et la télédétection spatiale. Après avoir réalisé une thèse sur la spectroscopie des fullerènes (collaboration notamment avec Harry Kroto, Prix Nobel de Chimie, 1996), il monte avec Cathy Clerbaux une équipe de recherche à l’ULB qui se spécialise dans la modélisation du transfert radiatif atmosphérique dans le domaine thermique. Il totalise aujourd’hui plus de 100 publications et dirige une équipe d’une douzaine de chercheurs. Celle-ci joue un rôle important dans la mission IASI pour les aspects relatifs à la composition atmosphérique et contribue à la définition des missions spatiales à venir.

 


présentation pdf

Curriculum vitae de Pierre-François Coheur

Ecoutez le podcast de Pierre-François Coheur

 

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