Sites d’observations et instruments

Il existe de nombreux sites d’observation permanents en région arctique pou-vant fournir différents type de mesures (in-situ, télédétection passives, télédétection active). Une liste non exhaustive (cf Tableau 1.1) résume les types de mesures qui sont généralement réalisées dans ces stations. Les principales stations de mesures détenues par les pays voisins de la région arctique ont été rassemblées au sein d’un seul organisme (cf Figure1.6), l’IASOA (International Arctic Systems for Observing the Atmosphere).

Figure 1.6 – Répartition géographique des stations d’observa-tion regroupées dans le cadre collaboratif de IASOA (d’après http ://www.esrl.noaa.gov/psd/iasoa/observatories)

Cet organisme a pour objectifs d’améliorer nos connaissances concernant les différents phénomènes météorologiques et les processus se produisant en région arc-tique, notamment l’influence des différents constituants atmosphériques sur le bilan radiatif (black carbone(BC) [Sharma 2007], ozone, méthane,...) ou encore la forma-tion et la durée de vie des nuages. Les différents processus étudiés pouvant être observés en Arctique sont indiqués sur la figure 1.7.

Figure 1.7 – Représentation simplifiée des processus physiques et des profils de température (trait plein rouge : T), de salinité (trait plein noir : S) et d’humidité spécifique (trait plein bleu : q). 1 : Advection atmosphérique de chaleur et d’hu-midité en arctique. 2 : Advection océanique de chaleur et d’hud’hu-midité en arctique.

3 : Inversion de température et d’humidité. 4 : Turbulence dans la couche limite stable. 5 : Convection au dessus des zones d’eau libre. 6 : Microphysique des nuages.

7 : Turbulence au sein du nuage. 8 : Réflexion et pénétration du flux solaire dans la neige/glace. 9 : Formation de "melt pond" (lac de fonte). 10 : Superposition de neige et de neige "glacée". 11 : Drainage du sel dans la glace de mer par gravité.

12 : Formation de saumure. 13 : Échanges de chaleur et de sel lors de la croissance de la glace. 14 : Double convection diffusante. (d’après [Vihma 2014])

Les mesures réalisées au sein de ces stations peuvent être de trois types :

• mesures in-situ : ce sont des mesures réalisées localement, par exemple l’ana-lyse selon divers procédés des aérosols d’un échantillon d’air ou la mesure de température,

• mesures passive : elles correspondent à l’analyse d’un flux reçu, par exemple le flux solaire ou terrestre, et fournissent donc une information intégrée sur la colonne d’air contenu dans l’angle solide défini par l’instrument ou sur la surface visée,

1.3. Mesures antérieures et réseaux existants 17

• mesures active : pour ce type de mesure, l’instrument émet son propre rayon-nement et en analyse sa modification le long du trajet de propagation. Ce type de mesure fournit ainsi des informations spatialement résolues sur les constituants atmosphériques.

Différents instruments, dont une liste non exhaustive est indiquée ci-dessous, sont disponibles pour effectuer ces mesures :

• mesures in-situ : spectromètre, ballon sonde, hygromètre, thermomètre, né-phélomètre

• mesures passive : photomètre solaire et lunaire, pyranomètre

• mesures active : RADAR, LiDAR

Beaucoup de mesures in-situ se font en un point local unique, au sol ou en alti-tude, mais l’utilisation de ballon sonde permet de multiplier ces points de mesure et d’obtenir une information spatialement résolue en altitude (température, propriétés microphysiques des aérosols,...). L’utilisation de ces ballons est en revanche limitée et il n’y a en général que deux sondages par jour, à 12h et 00h. La majorité des mesures réalisées sur chaque site correspond à des observations in-situ ou à de la détection passive. Mis à part les sites de St. Nord et Abisko qui sont peu fournis en instruments, chaque station réalise en général la plupart des observations suivantes :

• mesures de différents gaz carbonés (CO₂,CO,CH₄,...) (site de Bar-row [Tans 1989])

• mesures de différents gaz halogénés et fluorés

• mesures des propriétés microphysiques des aérosols (coefficients d’extinction et de diffusion, distribution en taille, épaisseur optique intégrée sur la colonne (site de Barrow [Dutton 1984])

• mesures radiométriques (flux direct, flux diffus,...) (site de Sodan-kyla [Lakkala 2003])

• mesures d’ozone (site de Barrow [Oltmans 2012] ; site de Eu-reka [Donovan 1997])

• mesures de données météorologiques (température, pression, humidité rela-tive, vitesse et direction du vent)

Des mesures radiatives ont été par exemple réalisées depuis une vingtaine d’année sur le site de Ny-Alesund [Maturilli 2014]. Ces observations ont permis de quantifier des tendances décennales d’évolution des flux solaire et IR à la surface, et notamment l’augmentation de ces derniers (montant et descendant) en hiver (cf Figure 1.8).

Figure 1.8 – Évolution de la moyenne annuelle des flux solaires (gauche) et IR (droite) descendant (haut) et montant (bas) à la surface, sur le site d’observation basé à Ny-Alesund sur la période 1992-2013 (d’après [Maturilli 2014]). Les ten-dances décennales sont indiquées pour chaque période et flux.

Près de la moitié des stations regroupées dans IASOA possèdent des instruments capable de faire de la télédétection active permanente, et ainsi fournir une infor-mation sur la distribution verticale des composants atmosphériques. Les différents types de LiDAR qui seront énoncés par la suite sont décrits dans l’annexe B. Par exemple le site de mesure atmosphérique américain le plus septentrional, Barrow, possède un RADAR pour des mesures de vent et un autre pour l’étude des nuages, ainsi qu’un LiDAR HSRL. Plus à l’est le site finlandais à Sodankyla possède un LiDAR stratosphérique [Stein 1994] combinant des mesures DIAL pour la mesure d’ozone, et Raman et à rétrodiffusion élastique pour des mesures de températures et d’aérosols. Sodankyla possède également un RADAR pour étudier les nuages, ainsi qu’un LiDAR Doppler. La station canadienne Eureka possède un LiDAR stratosphérique situé au PEARL (Polar Environment Atmospheric Research Laboratory) fournissant des profils d’ozone et de vapeur d’eau [Moss 2012], un LiDAR HSRL [Eloranta 2006] ainsi qu’un RADAR pour l’étude des nuages. Sur l’archipel norvégien du Svalbard la station basée à Ny-Alesund bénéficie également de la présence d’un LIDAR stratosphérique pour la mesure d’ozone et d’aérosols, ainsi qu’un LiDAR Raman troposphérique. Au Groenland, la station Summit possède un LiDAR troposphérique polarisé à rétrodiffusion simple fournissant des informations sur les aérosols et les nuages dans les plus basses couches de l’atmosphère [Neely III 2013], ainsi qu’un ceilomètre pour la mesure de la base des nuages. Ces instruments sont complétés par un RADAR fournissant différentes informations concernant les nuages. Enfin un ceilomètre est localisé sur le site de TIKSI pour mesurer l’altitude de la base des nuages.

1.3. Mesures antérieures et réseaux existants 19

Site Type

de mesure Instrument Paramètre mesuré ou déduit

Barrow in-situ flacon, thermomètre,

passive radiomètre flux radiométriques (directs, diffus, solaire, IR) épaisseur optique sur la colonne atmosphérique active RADAR, LiDAR HSRL structure verticale de l’atmosphère

mesure de vent, étude des nuages et des aérosols Eureka in-situ flacon, thermomètre,

épaisseur optique sur la colonne atmosphérique active

LiDAR troposphérique et stratosphérique, RADAR

profils d’ozone et de vapeur d’eau étude des nuages

épaisseur optique sur la colonne atmosphérique active

épaisseur optique sur la colonne atmosphérique active LiDAR troposphérique polarisé

ceilomètre, RADAR étude des nuages et des aérosols Ny-Alesund in-situ flacon, thermomètre,

épaisseur optique sur la colonne atmosphérique active

LiDAR stratosphérique, LiDAR Raman troposphérique microLiDAR

étude de l’ozone et des aérosols

TABLEAU1.1 – Tableau non exhaustif de sites d’observation en région arctique et du type de mesures qui y sont réalisées.

Il existe d’autres stations de mesures importantes en dehors du projet col-laboratif IASOA, tel que le site Poker Flat près de Fairbanks en Alaska qui possède, outre les habituelles mesures in-situ et passives et les lâchers de ballons sonde, trois LiDAR dont un multi-longueur d’onde et un Doppler permettant des mesures d’aérosols, de nuages, de température et de vapeur d’eau dans les couches troposphériques et stratosphériques [Mizutani 2007]. Le site de l’observatoire d’ALOMAR possède également des LiDAR stratosphériques fournissant des profils d’ozone et de température, ainsi que des aérosols dans la troposhère. Cette station a en plus quatre RADAR dont trois alloués à l’étude de la mésosphère et le dernier utilisé pour des observations troposphériques.

Cependant tous ces sites sont basés sur la terre ferme donc leur répartition est principalement périphérique (cf Figure 1.1), ce qui limite considérablement le nombre de mesures aux plus hautes latitudes et ne permet pas un quadrillage efficace de la région arctique.