1.3 Les polluants atmosphériques
1.3.3 L’ozone
Figure 1.5 – Profil d’ozone moyen, en ppbv (partie par milliard par unité de volume), dans l’atmosphère, d’après http://education.meteofrance.fr.
L’ozone (O3) est un constituant chimique de l’atmosphère dont le rôle est particulier. En effet, du fait des dégâts qu’il peut engendrer sur la santé humaine et l’environnement (cf. annexe C), il est considéré comme un des polluants majeurs dans la couche limite at- mosphérique. Cependant, c’est dans la stratosphère que se situe la majeure partie (environ 90 %) de la couche d’ozone (cf. section 1.2.1.4), et cette dernière joue un rôle crucial pour le développement de la vie sur Terre, en filtrant les rayons UV les plus énergétiques.
44 1.3. LES POLLUANTS ATMOSPHÉRIQUES
sur la figure 1.5. Nous distinguerons dans la suite l’étude de l’ozone stratosphérique, de l’ozone troposphérique et de l’ozone dans la couche limite atmosphérique.
1.3.3.1 L’ozone stratosphérique
Comme nous l’avons vu dans la section 1.2.1.4, l’ozone stratosphérique représente envi- ron 90 % de la couche d’ozone et est bénéfique pour la vie sur Terre. L’ozone y est produit et détruit en permanence, via le cycle ozone-oxygène et la photodissociation par le rayon- nement ultraviolet, et présente une forte stratification verticale avec un maximum autour de 8 ppmv à 25 km d’altitude.
L’ozone est principalement produit dans les régions équatoriales où le rayonnement solaire est suffisamment intense pour photolyser constamment l’oxygène moléculaire. Or, paradoxalement, la colonne totale d’ozone est maximale près des pôles. De plus, la colonne totale des hautes et moyennes latitudes n’est pas corrélée à la quantité de lumière dispo- nible, puisqu’elle atteint son maximum pendant l’hiver et le printemps au lieu de l’été, et son minimum en automne au lieu de l’hiver. Ainsi la distribution spatiale et temporelle de l’ozone dans la stratosphère n’est pas simplement déterminée par l’équilibre photochimique entre sa production et sa destruction. Les mouvements dynamiques associés aux vents et à la circulation générale jouent en effet un rôle fondamental en redistribuant l’ozone à travers l’ensemble de la stratosphère.
L’ozone stratosphérique est depuis longtemps mesuré par des satellites utilisant des bandes dans l’ultraviolet ou dans l’infrarouge thermique et ayant une visée aux limbes (cf. section 1.5.2.2).
1.3.3.2 L’ozone troposphérique
L’ozone troposphérique voit son origine à partir d’inclusions d’air stratosphérique (envi- ron 20 %) et de réactions photochimiques (environ 80 %). En effet, il est possible parfois que des masses d’air provenant de la stratosphère, riche en ozone, descendent et se diluent dans la troposphère, enrichissant ainsi cette dernière en ozone (El Amraoui et al., 2010; Zoog- man et al., 2014). Les réactions photochimiques proviennent quant à elles principalement des basses couches de la troposphère, et notamment de la couche limite atmosphérique, dans lesquelles on retrouve l’essentiel des précurseurs de l’ozone.
Dans la troposphère, on peut distinguer la formation de l’ozone à l’échelle locale, qui est due principalement à l’oxydation des COVs (dans les panaches de pollution des villes par exemple) et reste principalement confinée à la couche limite (cf. section 1.3.3.3). Et la formation de l’ozone à grande échelle plutôt causée par l’oxydation du méthane et du monoxyde de carbone qui va se dérouler dans toute la troposphère. En effet, ceci est lié au fait que les vitesses d’oxydation et donc les durées de vie des COVs dans l’atmosphère sont de quelques heures à quelques jours, beaucoup plus faibles que celle du monoxyde de carbone (2 mois) ou du méthane (10 ans). Le transport à longue distance ayant lieu dans la troposphère libre va ainsi contribuer à disséminer le méthane et le monoxyde de carbone
sur de grandes échelles (voir sur tout le globe), et ainsi contribuer à la formation d’ozone sur tout le globe. On parle alors de niveau de fond d’ozone, c’est à dire la concentration d’ozone en l’absence d’émissions de précurseurs provenant de sources locales.
Depuis quelques années, la mesure de l’ozone troposphérique est devenue possible à l’aide de satellites utilisant des bandes dans l’infrarouge thermique et ayant une visée au nadir (cf. section 1.5.2.2 et section 1.5.3). Cependant, ce type de visée implique également le sondage de la stratosphère, il faut donc associer à la mesure des algorithmes performants permettant de séparer la contribution majeure de l’ozone stratosphérique et la contribution mineure de l’ozone troposphérique.
1.3.3.3 L’ozone dans la couche limite atmosphérique
L’ozone dans la couche limite atmosphérique est un polluant secondaire particulièrement nuisible. À la fois toxique pour les humains et la végétation (cf. annexe C), il se forme principalement par oxydation des composés organiques volatiles en présence de NOx, des précurseurs de l’ozone dont l’origine est principalement anthropogénique. Le mécanisme est complexe, impliquant des centaines d’espèces chimiques interagissant entre elles pour décrire les processus dégradant les COVs. On peut cependant considérer le schéma simpliste suivant :
COV + OH−→ HO2+ autres produits
HO2+ NO −→ OH + NO2
NO2+ hν −→ NO + O
O + O2+ M−→ O3+ M
Un aspect important de ce mécanisme est que les NOxet OH agissent comme des cata- lyseurs, c’est à dire qu’ils accélèrent la vitesse de génération d’ozone sans être eux-mêmes détruits par la réaction. Au lieu de cela, ils font un cycle rapidement entre NO et NO2, et entre OH et HO2.
La formation de l’ozone dans la couche limite, en plus d’impliquer ses précurseurs COVs et NOx, nécessite la présence de photons pour la réaction de photodissociation sur le di- oxyde d’azote produisant l’oxygène moléculaire. Au final, l’ozone suit donc un cycle diurne (cf. Fig. 1.6) avec une augmentation rapide le matin (grâce aux émissions, liés aux activi- tés humaines, des précurseurs de l’ozone, et à la présence de photons), l’ozone atteint un maximum l’après-midi, et diminue après le coucher du soleil. Les vitesses de réactions entre la formation des précurseurs et la production d’ozone rendent ce cycle diurne fortement va- riable spatialement et temporellement, et peuvent conduire dans certains cas à la formation excessive d’ozone, on parle alors de « pic d’ozone ».
On constate un intérêt croissant pour la mesure de l’ozone dans la couche limite, afin de surveiller la qualité de l’air, à partir de satellites géostationnaires (cf. section 1.5.3), afin de permettre d’avoir un suivi satisfaisant de l’évolution spatio-temporelle de l’ozone dans la couche limite. Cependant, réaliser une telle mesure représente un véritable défi.
46 1.3. LES POLLUANTS ATMOSPHÉRIQUES
Figure1.6 – Exemple du cycle diurne de l’ozone (O3) dans la couche limite atmosphérique et des oxydes d’azote (NOx) lors d’une journée au-dessus de Mexico City. D’après le cours « Atmosphère et climat » donné par le LPAS-EPFL.
En effet, la mesure de l’ozone dans la couche limite depuis un satellite géostationnaire implique d’être capable de mesurer une infime variation d’ozone au plus près du sol, à travers la totalité de la couche d’ozone. Seul le couplage de plusieurs bandes spectrales d’instruments de mesures particulièrement précis, associé à des algorithmes d’inversion de données extrêmement performants, peut permettre de dissocier les contributions de l’ozone dans la couche limite des autres contributions dans le signal mesuré. C’est dans ce contexte que s’inscrit ce travail de thèse, en proposant d’évaluer les capacités d’un instrument à bord d’un satellite géostationnaire couplant une bande dans l’infrarouge thermique et une bande dans le visible, dans le but de mesurer l’ozone dans la couche limite.