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première version décembre 2006
dernière mise à jour
28 janvier 2014

les études en haute atmosphère

Avertissement
analyse avec ou sans satellite
le monoxyde de carbone
précurseur de l' effet de serre et MOPITT
spectrométrie infra rouge
mesure terrestre sur très longue distance
spectrométre ultra violet
DOAS analyse sur 10km maxi
Avertissement

Il existe actuellement quelques sites web très spécialisés qui expliquent les diverses études réalisées actuellement sur la haute atmosphère, en particulier les sites de la NASA, que nous mentionneront en bibliographie. Notre propos est simplement ici de montrer que depuis un certain nombre d'années les scientifiques se préoccupent du problème de la pollution atmosphérique sous ses divers aspects et tout particulièrement des conséquences sur la haute atmosphère et "in fine" des conséquences au niveau du sol des perturbations engendrées dans la haute atmosphère par ces diverses pollutions d'origine humaine.

Dans d'autres chapitres nous avons abordé le dérèglement climatique, les problèmes liés à l'ozone, ici nous allons donc aborder les autres constituants normaux ou anormaux de la haute atmosphère et les moyens mis en oeuvre pour les analyser.

Le monoxyde de carbone

Le principal responsable de l'effet de serre est le dioxyde de carbone CO2 qui résulte de la combustion du Carbone ou des chaines carbonées présentes dans le charbon, d'une part, et le pétrole, d'autre part, ainsi que dans tous leurs dérivés que l'on rencontre dans de multiples produits plus ou moins combustibles. Lorsqu'un tel produit brûle naturellement ou accidentellement on constate un dégagement de CO2, mais la combustion n'est pas toujours parfaite et fréquemment il y a en outre du monoxyde de carbone qui se dégage.

Ce gaz est doublement dangereux car il est directement toxique pour l'homme et les animaux en se fixant directement sur l'hémoglobine et provoquant rapidement une asphyxie et d'autre part sa densité relativement élevée le fait s'accumuler au voisinage du sol, tout particulièrement en atmosphère confinée. Comme il n'a pas d'odeur caractéristique on ne l'identifie pas et il provoque donc de nombreux accidents.

A l'air libre l'agitation permanente de l'atmosphère empêche son accumulation au sol et on constate qu'il va s'élever lentement pour atteindre la haute atmosphère et finalement s'oxyder lentement en donnant du gaz carbonique. La rémanence de ce monoxyde de carbone atteint ainsi facilement deux à trois semaines en haute altitude et nous avons vu dans le chapitre sur l'ozone que le CO pouvait aussi bien contribuer à la fabrication d'ozone en réagissant avec les oxydes d'azote, qu'à la destruction de l'ozone à très haute altitude en se transformant alors en CO2, c'est à dire en gaz à effet de serre.

Il importe donc de suivre la concentration de CO dans la haute atmosphère. Depuis décembre 1999, le satellite Terra lancé par la NASA dans le cadre du projet d'étude environnementale international qu'on appelle Earth Observation System (EOS) fournit des mesures à long terme des concentrations de monoxyde de carbone grâce à une sonde embarquée de fabrication canadienne nommée MOPITT (pour Measurements Of Pollution In The Troposphere). Ce spectromètre imaginé au département d'Atmospheric Physics de l'université de Toronto fournit des informations qui, couplées à celles délivrées par d'autres instruments à bord du satellite Terra, peuvent être d'un très grand intérêt. Il permet de comprendre les effets des activités humaines.


Exemple de résultat fourni un jour de printemps (image NASA -ASC)

Sur la figure ci-dessus d'une extrême qualité nous identifions très aisément les origines principales de la pollution de tye CO. Il y a en premier lieu la CHINE dont le charbon est la principale ressource énergétique tant pour l'industrie que pour les particuliers, la seconde zone concerne les Etats-Unis et la troisième dans une moindre mesure l'Europe et plus particulièrement l'Europe de l'Est qui consomme énormément de charbon et de lignite de médiocre qualité. Sur la France on voit nettement l'impact des centrales nucléaires (la concentration en CO est réduite au dessus de la France). En Afrique on identifie les zones à forte population, tandis que l'Himalaya constitue une exception de pureté en Asie. Il en est de même de la partie la plus élevée de la Cordillère des Andes.

Un autre emploi des données générées par MOPITT concerne la prévision des effets à long terme de la pollution, tel l'accroissement de concentration d'ozone à basse altitude et même l'évaluation et l'application de mesures de contrôle de la pollution à court terme. Ainsi en cas de brouillard photochimique on envisage la réduction de circulation des véhicules les plus polluants et MOPITT pourrait identifier l'efficacité ou l'inefficacité des décisions préfectorales!

La spectrométrie infra rouge

Notons qu'il s'agit ici d'un spectromètre particulier puisquà la différence des spectromètres classiques qui analysent un échantillon par comparaison avec une référence obtenue en général en divisant un faisceau de référence en deux parties l'une qui traversera l'échantillon absorbant et l'autre non, ici l'échantillon est l'atmosphère entre le soleil et l'analyseur et la source lumineuse est le soleil lui-même. Les spectromètres infrarouge à transformée de Fourier combinent des détecteurs IR généralement refroidis à l'azote liquide pour éviter les perturbations thermiques et un système informatique puissant d'analyse utilisant la transformée de Fourier pour à la fois déterminer qualitativement et quantitativement l'état de l'atmosphère située face à leurs détecteurs. On emploie plusieurs types de détecteurs pour couvrir l'ensemble du spectre IR intéressant. Rappelons que les détecteurs à InSb analysent la plage 1800-8500 cm-1 et celui à HgCdTe (MCT) la région 500-5000 cm-1 et couvrent donc parfaitement la zone spectrale d'adsorption des principaux polluants atmosphériques comme le montre le tableau ci-dessous


Le rayonnement solaire partiellement perturbé par l'adsorption des polluants va donc être analysé par les détecteurs du spectromètre après filtrage par un filtre qui définit une plage réduite d'analyse. Typiquement on aura 6 filtres correspondant aux 6 plages du tableau ci-dessus. En connaissant les fréquences exactes d'absorption de chaque polluant, la réponse fréquentielle de chaque détecteur et à l'aide d'un programme informatique basé sur la transformée de Fourier on peut identifier chaque constituant présent et sa concentration. En faisant tourner l'ensemble du spectromètre on peut donc cartographier l'espace et suivre l'évolution temporelle et géographique d'un polluant donné. Ce système présente évidemment l'inconvénient de ne plus fonctionner quand le rayonnement solaire est totalement occulté.

Spectrométrie UV

Notons que l'on peut aussi utiliser un spectromètre UV selon le principe DOAS (spectrométrie d'absorption optique différentielle) décrit par ailleurs, mais la mesure est limitée dans l'espace en distance par la puissance de la source émettrice qui pour une étude impliquant la haute atmosphère devra être emportée par un ballon sonde, le récepteur/analyseur restant au sol. Ce système de détection télécommandé est commercialisé par la société Nodal pour une utilisation spatiale. Il analyse la composition de l’air en “ explorant ” un chemin de plusieurs kilomètres en atmosphère ouverte, même pour des concentrations très faibles. Comme le spectromètre IR il permet la détection simultanée de traces et est intéressant pour les substances n'absorbant pas dans l'IR mais dans l'UV.


l'ensemble DOAS émetteur et récepteur (doc NODAL -France)