Les processus atmosphériques conditionnent l'évolution météorologique, l'évolution climatique et la composition chimique de l'atmosphère. Dans la mesure où ils mettent en jeu toute une gamme d'échelles spatio-temporelles, des mesures à long terme denses dans le temps et dans l'espace sont nécessaires pour comprendre et surveiller la composante atmosphérique du système climatique, aujourd'hui fortement perturbée par l'activité humaine.

Parmi les thèmes et questions environnementales, des enjeux importants ont été identifiés par la communauté atmosphérique pour une prospective scientifique de l'observation spatiale future. Ils sont présentés ici en indiquant pour chacun les observables nécessaires à leur étude, l'apport potentiel du spatial prenant en compte le contexte européen et international, les missions et mesures existantes ou à venir.

CLIMAT ET FORÇAGE RADIATIF

Le premier enjeu de la recherche et du spatial est actuellement la prévision de l'évolution du climat et du réchauffement planétaire attendu suite à l'augmentation des gaz à effet de serre. Déterminer l'amplitude et la vitesse de ce changement est un réel défi, compliqué par les forçages qui s'ajoutent aux gaz à effet de serre, notamment ceux causés par les particules d'aérosols et les nuages. Si l'on considère le forçage radiatif estimé en W/m² par les modèles du Panel intergouvernemental sur le changement climatique (IPCC) et selon divers scénarios de projection future d'émissions et de développement industriel (Figure 1), on observe un réchauffement important lié, d'une part, aux gaz à effet de serre, d'autre part, à l'effet de la variation de la constante solaire et un refroidissement lié aux aérosols et aux nuages.

Figure 1 : Forçage radiatif estimé au sommet de l'atmosphère en W/m² par les modèles (notés A, B, ...) de l'Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) et selon divers scénarios de projection future d'émissions et de développement industriel.
Même si la contribution des gaz à effet de serre que l'on connaît depuis de début de l'ère industrielle paraît la moins critique, la barre d'incertitude est encore de plus de 0,5W/m². Parmi les gaz à effet de serre, on peut citer le plus étudié, le CO2, dont on connaît à peu près bien la distribution globale. Par contre l'estimation des flux nets de CO2 entre l'atmosphère et la biosphère à partir des mesures de surface présente encore de nombreuses divergences. La future mission américaine Oco répond à moyen terme à cette question essentielle d'estimation à l'échelle régionale des bilans de CO2 pour évaluer les modèles d'évolution du carbone.

Le réchauffement lié aux gaz à effet de serre est modulé par l'effet des aérosols. Cet effet est soit direct par réflexion vers l'espace d'une partie du rayonnement solaire incident, soit indirect résultant de leur influence sur les propriétés optiques des nuages à travers leur rôle en tant que noyau de condensation ou Cloud Condensation Nuclei (CCN). Les particules d'aérosols, qui ont des temps de vie courts et des compositions chimiques et des tailles variées, sont émises par différentes sources anthropiques ou naturelles et peuvent aussi se former dans l'atmosphère à partir de précurseurs gazeux. L'effet direct de ces aérosols est leur capacité à diffuser et à absorber le rayonnement solaire et infrarouge, qui dépend de leur abondance et répartition dans l'atmosphère, de leurs propriétés physiques (granulométrie et indice de réfraction), de leurs propriétés optiques (fonction de phase, absorption propre). Ce type de mesures existe déjà (Erbe, ScaRaB, Ceres, etc.) mais il existe un problème de continuité après 2008.

Les nuages formés ont, quant à eux, un double rôle sur le bilan radiatif. Soit ils réfléchissent le rayonnement solaire et, par suite, tendent à diminuer l'énergie absorbée, soit, étant généralement fortement absorbants dans l'infrarouge, ils contribuent à l'effet de serre. Comment l'effet indirect agit sur les nuages, sur leur albédo, leur temps de vie et leur pouvoir précipitant surtout dans le cas de nuages glacés, reste une incertitude essentielle dans les modèles. Selon leur composition chimique et selon les conditions de sursaturation rencontrées dans l'atmosphère, certains aérosols, les CCNs, sont susceptibles d'être activés formant des gouttelettes de nuage. L'augmentation du nombre de CCN dans l'atmosphère, due à des rejets de plus en plus importants d'aérosols par les activités anthropiques, implique une augmentation du nombre de gouttes de nuages qui sont alors plus petites. Cette modification des propriétés microphysiques des nuages va augmenter l'albédo des nuages modifiant le bilan radiatif. C'est le premier effet indirect des aérosols.

Le second effet indirect découle du premier et représente la diminution du pouvoir précipitant du nuage dont le temps de vie va être alors augmenté. Les paramètres importants à mesurer dans ce cas sont :

l'altitude/pression du sommet du nuage pour estimer le flux infrarouge,
la couverture nuageuse, dont la mesure s'est bien améliorée avec Modis grâce à sa résolution spatiale,
la phase et la distribution granulométrique par polarisation,
l'épaisseur optique visible et l'émissivité infrarouge (classique, continuité après 2005),
le contenu en eau et/ou en glace (hyperfréquence).

La mission Calipso, mettant en jeu un lidar à rétrodiffusion et un imageur infrarouge, la mission Cloudsat, utilisant un radar nuage et la mission Parasol, permettant la mesure des réflectances directionnelles des nuages, qui s'ajoutent à Aqua, abordent ce problème (Figure 2). Mais la question de la continuité de ces observations se pose et pourrait être assurée par Earthcare.

Figure 2 : Vue d'artiste de l'A-train.
De gauche à droite : Aura, Parasol, Calipso, Cloudsat, Aqua et Oco.

Dans ce cadre, il est recommandé, de façon plus générale, d'exploiter les synergies expérimentales de plusieurs instruments et d'inclure les données dans le pôle de compétence Icare.

SYSTEMES NUAGEUX ET PRECIPITATIONS, METEOROLOGIE

Pour comprendre et prévoir l'évolution du climat, un autre enjeu important est lié aux processus dynamiques du transport, de la formation, du maintien ou non des systèmes nuageux et des précipitations qui leur sont associées.

La dynamique de moyenne échelle conditionne l'évolution des phénomènes météorologiques intenses. Du fait des changements de l'intensité, de la direction ou de la variation horizontale et verticale du vent, de l'évolution de la stabilité statique, le suivi rapide et précis du développement des nuages et des précipitations est important pour appréhender les systèmes convectifs des latitudes moyennes ou tropicales, potentiellement générateurs de phénomènes extrêmes (Figure 3).

Figure 3 : Distribution des moyennes mensuelles de précipitations et des températures de surface de la mer pour deux mois (juin et août 1998-2003) issues des données de la mission TRMM sur le secteur ouest africain. La mousson de juin semble très influencée par les températures de surface de la mer (SST) le long de la côte ouest africaine.

Il est de plus indispensable d'assurer un suivi fiable et de longue durée (>10 ans) avec des observations qualifiées pour appréhender la variabilité intra-saisonnière, interannuelle et décennale, et de les comparer aux prévisions des modèles climatiques couplés. C'est la seule façon d'identifier les composantes naturelles, anthropiques et couplées de la variabilité climatique. Les paramètres atmosphériques importants sont la pression, la température, l'humidité, les propriétés des nuages, les précipitations, le rayonnement, en liaison avec les caractéristiques et les flux associés aux surfaces continentales et océaniques.

Ils sont en partie fournis par l'observation météorologique, par les satellites prévus jusqu'en 2020 soit en orbite géostationnaire (MSG), soit en orbite polaire (Métop, Npoess). De plus, les missions actuelles ou prévues à court terme avec des instruments tels que Iasi/Airs, Amsu devraient permettre d'obtenir des profils de température et d'humidité dont la précision approcherait celle des mesures in situ. En effet, les réseaux synoptiques d'observation (stations classiques et radars météorologiques) s'avèrent insuffisamment denses pour représenter la variabilité spatiale très forte de la pluviométrie. Les projets Mégha-Tropiques et GPM, succédant à TRMM, constitueront une constellation de satellites équipés de sondeurs hyperfréquences passifs associés à un radar, permettant d'obtenir des estimations correctes des précipitations. Ces missions sont essentielles et préparent un futur suivi opérationnel des précipitations depuis l'espace.
Le programme interdisciplinaire Amma va mobiliser une grande partie de la communauté scientifique sur l'étude de la mousson africaine. C'est une opportunité majeure pour exploiter les données spatiales et développer les synergies entre les spécialistes du traitement de données spatiales et les modélisateurs. La base de données Ammasat a été créée afin de comparer les résultats de traitements différents, croiser les données obtenues à fine résolution avec celles des capteurs de moindre résolution, et surtout exploiter conjointement produits satellites, simulations numériques et mesures de terrain.

CAPACITE OXYDANTE, CHIMIE ET CLIMAT

Le troisième enjeu concerne le rôle de la composition chimique atmosphérique sur l'évolution du climat et l'évolution de la capacité oxydante. Il intervient dans deux régions plus particulièrement :

dans la stratosphère et la haute troposphère où l'ozone et la vapeur d'eau qui sont des gaz à effet de serre contrôlent le climat,
dans la basse troposphère, où la composition atmosphérique change du fait d'une augmentation des émissions anthropiques.

Dans la haute troposphère/basse stratosphère (UTLS), on trouve de l'ozone, de la vapeur d'eau, des cirrus et des aérosols qui jouent un rôle dans le bilan radiatif de la Terre et donc sur le climat de notre planète. Cette région est complexifiée par des phénomènes de transport, par des processus multiphasiques et microphysiques influençant les concentrations en ozone et en vapeur d'eau. Les phénomènes de dynamique se déroulant dans cette région sont illustrés sur la Figure 4. Il s'agit du transport depuis la couche limite vers la stratosphère par convection profonde dans la région équatoriale ou encore des foliations de tropopause aux moyennes latitudes, donnant lieu à des échanges de masse d'air entre la troposphère et la stratosphère.

Figure 4 : Illustration schématique des processus dynamiques de la haute troposphère/basse stratosphère.

Par ailleurs, cette région connaît des perturbations d'origine anthropique liées au transport vertical par convection profonde ou en raison du trafic aérien, ce qui modifie les teneurs des espèces chimiques intermédiaires de l'UTLS contrôlant les concentrations d'ozone.

Pour cette raison, la communauté scientifique s'attache à effectuer le bilan des espèces traces dans cette zone : par des mesures en gaz traces in situ à l'aide de ballons-sondes, par mesures aéroportées ou encore par satellite en utilisant des spectromètres infrarouge et micro-ondes afin de surveiller l'ozone et la vapeur d'eau.

À L'échelle globale, dans la basse troposphère, diverses émissions liées à l'activité humaine, à la biosphère et aux feux de brousse engendrent une augmentation de composés tels que le CO, les oxydes d'azote, les COVs et, bien sûr, l'ozone, qui vont intervenir dans la capacité oxydante de l'atmosphère. Certains de ces composés sont actuellement mesurés depuis l'espace par des instruments comme Iasi et Gome, mais souvent sous forme de colonne intégrée et pour des espèces peu réactives (comme CO ou CH4).

Les données actuelles ont une bonne couverture spatiale, mais il existe un besoin de définir une nouvelle instrumentation pour accéder à des profils verticaux, à une meilleure résolution temporelle et spectrale.

L'exploitation des mesures existantes doit se poursuivre en parallèle, notamment dans le cadre de la base de données Ether, qui contient notamment les données ODIN, et associer les mesures spatiales à des mesures sol en réseau et in situ (ballons, Mozaic).

LA POLLUTION

Les caractéristiques actuelles des mesures spatiales en physico-chimie servent à l'étude des interactions chimie/climat, mais sont insuffisantes pour répondre à un nouvel enjeu : la prévision de la pollution. Une des questions majeures pour l'étude de la pollution de l'air est de pouvoir distinguer, lors d'épisodes de pollution, la part de polluants photochimiques, tels que l'ozone, qui sont produits localement, de la part de polluants qui ont été advectés par transport longue distance. Pour répondre à cette question, il est essentiel de comprendre les processus à l'origine des pics de pollution dans les grands centres urbains, mais aussi d'optimiser, région par région, la stratégie de réduction des émissions. Jusqu'à présent, plusieurs grandes campagnes de mesures ont eu lieu autour de grandes capitales comme Paris, Athènes, Mexico, etc. Mais elles restent ponctuelles et ne permettent pas d'extrapoler les résultats sur de plus grandes périodes de temps. Le recours à la modélisation est l'alternative qui fournit des informations intéressantes, mais fortement dépendantes de la qualité des inventaires d'émission. Pour prévoir la pollution, les modèles atmosphériques requièrent également une résolution temporelle inférieure à l'heure, de jour comme de nuit, une bonne résolution verticale avec plusieurs couches dans la troposphère (notamment entre 2 et 3 km), une bonne résolution spatiale adéquate et représentative de l'épisode de pollution, du pic d'ozone par exemple (Figure 5). Le sondeur infrarouge SIFTI est étudié dans le cadre d'une mission scientifique de mesure de la pollution, et également comme démonstrateur pour un futur service opérationnel de qualité de l’air. La détection et la correction des brumes et des nuages sont nécessaires.

Figure 5 : Variation diurne de plusieurs polluants troposphériques à Londres mesurée en juillet 1998, avec production photochimique d'ozone le jour par oxydation de CO en présence de NOx.

Pour représenter les transports de pollution transfrontaliers, la couverture spatiale des mesures doit aller de l'échelle locale à l'échelle régionale, voire à l'échelle continentale.

Les satellites ont une place importante pour la détermination de tendances pour un suivi à long terme de la qualité de l'air. Les données satellites constituent des bases essentielles pour le test et la validation des modèles de transport et de chimie actuels, les études statistiques, la constitution de cartes d'émissions.
Leur exploitation repose sur la constitution de bases de données, sur l'interprétation des résultats des modèles, qui pourront confirmer la validité des mesures par comparaison avec celles des réseaux ou celles issues de campagnes intensives, et sur le développement de techniques d'assimilation appropriées du type interpolation optimale, méthodes variationnelles (4D-Var), filtre de Kalman.
De nouvelles technologies sont à l'étude (petits capteurs, capteurs plus légers et consommant moins d'énergie) qui vont simplifier la calibration, l'intégration et l'opérationnel. Il est nécessaire d'encourager l'utilisation de capteurs actifs de type lidars, radars avec un temps de vie plus fiable, plus efficace et avec une réduction du poids, du volume et du coût et une augmentation de l'autonomie.