Spectromètres Dobson et SAOZ

2.2.1.1. Le spectromètre SAOZ

Le SAOZ est un instrument de télédétection passive qui mesure la lumière solaire rétrodiffusée à partir du zénith. L’instrument est désigné pour les observations de la colonne verticale de l’O3 et du NO2

dans une bande spectrale de longueur d’onde comprise entre 300 et 600 nm suivant une résolution de 0.8 nm (Hendrick et al., 2011 ; Pazmiño, 2010). Les observations sont effectuées depuis la surface terrestre pendant le lever et le coucher du soleil. Les observations faites pendant le lever et le coucher du soleil permettent de maximiser le parcours optique dans la stratosphère (20 fois plus que le parcours optique dans la troposphère), ce qui permet d’examiner la stratosphère. La précision des mesures est de 4.7% pour l’O3

et 10% pour le NO2

L’instrument peut être divisé en trois parties: « le spectromètre » lui-même, qui collecte la lumière, la « boite d’interface » pour relier le spectromètre à « un ordinateur ». Le spectromètre SAOZ est placé en plein air. Il est placé dans une boîte étanche. Au-dessus de la boite, une fenêtre de quartz est montée afin de visualiser le ciel au zénith avec un demi-champ de vision de 10°. Le quartz est utilisé pour permettre la détection de la lumière ultraviolette et visible. Le champ de vision est limité par des déflecteurs entre la fenêtre de quartz et un obturateur pour prendre en compte l'ouverture du spectromètre.

Le dispositif électronique se compose de cinq parties. La première est conçue pour l’acquisition du spectre, la 2ème pour entrainer l’obturateur et surveiller la température de la boite et du détecteur, la 3ème sert au contrôle du courant nécessaire au fonctionnement de l’appareil, la 4ème est le CPU où différents programmes d’acquisition et de test de l’information sont logés, et la 5ème est destinée à la géolocalisation de l’appareil. Selon le logiciel stocké sur la carte CPU, les mesures sont effectuées du lever au coucher du soleil jusqu'à un angle zénithal solaire (SZA) de 96°. Le temps d'exposition est ajusté automatiquement entre 0,1 s et 60 s afin d'optimiser le signal. .

L’ordinateur externe est utilisé pour l’enregistrement et l’analyse des spectres, ainsi la valeur de la colonne totale de l’ozone est calculée à partir de la moyenne pondérée de l’ozone mesuré pour des SZA compris entre 86° et 91° en utilisant un facteur de masse d’air (AMF) modélisé. Récemment, une version améliorée de la colonne totale de l’ozone a été mise à jour, suite à une modélisation du facteur de masse d'air O3 (AMF) utilisant les profils climatologiques TOMS V8 (Hendrick et al., 2011). Cette climatologie

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a été construite en combinant les profils moyens mensuels climatologiques (moyennés par bande de latitude de 10°) mesurés par les satellites SAGE II, MLS, et par radiosondages. Elle a une couverture globale et s’étend de 0 à 60 km d’altitude. Le produit SAOZ amélioré a été comparé avec des produits de TOMS, GOME, SCIAMACHY et OMI sur des sites du réseau NDACC (Network for the Detection of Atmospheric Composition Change) ; un bon accord a été observé entre les mesures effectuées par SAOZ et les satellites (Hendrick et al., 2011 ; Pastel et al., 2014).

Tableau 2. 2 : Nombre de jour d’observation SAOZ par mois et par site

Site Période 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Bauru 95-12 427 442 476 490 510 457 469 468 465 463 410 473

Réunion 93-12 486 449 507 527 485 491 483 478 528 509 512 527

Nous avons utilisé dans le cadre de cette thèse la version améliorée de la colonne total de l’ozone enregistrée sur l’ile de la Réunion (21.06° S, 55.48 E) et sur le site Bauru (22.34° S, 49.03 W) au Brésil pendant les périodes respectives d’août 1993 à décembre 2012 et de novembre 1995 à décembre 2012. Le nombre de jours d’observations enregistrées par mois et par site est présenté dans le tableau 2.2.

2.2.1.2. Le spectromètre Dobson

L’idée à l’origine du développement de l’instrument Dobson est d’étudier la circulation atmosphérique en utilisant l’ozone comme traceur. Le spectromètre Dobson est le premier instrument utilisé par l’Organisation Météorologique Mondiale (OMM/ WMO) pour les mesures de l’ozone. Il sert à mesurer la TCO contenue dans l’atmosphère à une position géographique déterminée. Le principe est basé sur l'absorption du rayonnement ultraviolet solaire compris sur des paires de bandes spectrales où les molécules d’ozone représentent differentes caractéristiques d’absorption. On mesure l'intensité relative aux longueurs d’ondes choisies. Les paires les plus utilisées sont les doubles paires (305.5/325.5 nm et 317.6/339.8 nm) et (311.45/332.4 nm et 316.6/339.8 nm) indépendamment des conditions d’observation (conditions météorologiques et de la géométrie de la position d’observation par rapport à l’angle zénithale) (WMO/OMM, 2008 ; Komhyr, 1993). Actuellement le réseau Dobson est constitué de plus de 80 stations à travers le monde. La plupart des instruments Dobson opérationnels sont calibrés par rapport au Dobson No 83, qui est maintenu et désigné comme la référence mondiale de calibration par l’ESRL (Earth System Reaserch Laboratory) et l’OMM. Le mode de fonctionnement de l’instrument Dobson est détaillé sur WMO/OMM, (2008) : la lumière solaire pénètre dans l’appareil à travers une fenêtre localisée dans la partie supérieure. Elle est ensuite réfléchie par un prisme à angle droit, puis tombe sur la fenêtre S1 d’un spectroscope (voir figure 2.1). Ce dernier est constitué d’un verre de quartz consistant à mettre en parallèle la lumière réfléchit, d’un prisme qui décompose la lumière, d’un miroir qui réfléchit la lumière à travers le prisme et d’une lentille qui forme le spectre dans le plan focale de l’instrument. Les longueurs d’onde requises sont isolées au moyen de fenêtre S2, S3, et S4 situés au plan focal de l’instrument (voir figure 2.1).

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Deux tiges d'obturation sont montées dans la base du spectrophotomètre. A gauche de la fenêtre S4, une tige obturateur est utilisée durant les tests du spectrophotomètre. La sélection des longueurs d’onde lors des mesures de l’ozone est faite par rotation des leviers Q1 et Q2 sur une position spécifique dans le tableau de réglage Q fourni sur l’appareil (voir figure 2.1).

Figure 2. 1: Vue schématique du système optique du spectromètre Dobson (WMO/ OMM, 2008).

Les mesures issues du spectromètre Dobson sont considérées comme ayant la plus faible incertitude, 2% selon Basher (1995) et Komhyr, (1989). Elles sont souvent utilisées comme référence pour valider les mesures des autres instruments. Dans le cadre de ce travail, nous avons analysé les données des colonnes totales d’ozone enregistrées sur 6 sites de l’hémisphère sud localisés dans les tropiques et les subtropiques : Natal, Marcapomacocha, Irène, Springbok, Buenos Aires et Melbourne. On retrouve dans le tableau 2.1 les coordonnées géographiques et la couverture temporelle de mesures Dobson utilisées dans ce travail. Le nombre des jours d’observations enregistrées par mois et par site est consultable dans le tableau 2.3.

Tableau 2. 3: Nombre de jours d’observation Dobson par moi et par site.

Site Période 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Natal 90-06 251 248 274 229 255 228 223 242 258 286 247 263 Marcapomacocha 00-10 134 107 180 202 229 225 226 207 230 203 174 170 Irène 90-12 452 386 467 512 535 504 605 605 611 552 466 444 Springbok 95-12 492 430 443 434 423 426 463 442 496 498 502 530 Buenos Aires 90-12 654 603 658 634 677 612 658 634 616 668 589 628 Melbourne 90-12 682 603 692 672 689 672 677 658 664 687 661 678

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