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HAL Id: tel-00608052 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00608052 Submitted on 12 Jul 2011 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Etude des propriétés physiques des aérosols de la moyenne et haute atmosphère à partir d’une nouvelle analyse des observations du GOMOS-ENVISAT pour la période 2002-2006 Veronica Salazar To cite this version: Veronica Salazar. Etude des propriétés physiques des aérosols de la moyenne et haute atmosphère à partir d’une nouvelle analyse des observations du GOMOS-ENVISAT pour la période 2002-2006. Sciences de la Terre. Université d’Orléans, 2010. Français. NNT : 2010ORLE2062. tel-00608052 UNIVERSITÉ D’ORLÉANS ÉCOLE DOCTORALE SCIENCES ET TECHNOLOGIES Laboratoire de Physique et Chimie de l´Environnement et de l´Espace LPC2E THÈSE présentée par : Verónica SALAZAR soutenue le: 13 décembre 2010 pour obtenir le grade de: Docteur de l’Université d’Orléans Discipline: Physico-Chimie de l´Atmosphère Étude des propriétés physiques des aérosols de la moyenne et haute atmosphère à partir d´une nouvelle analyse des observations de GOMOS-ENVISAT pour la période 2002-2006 JURY : M. Gilles POULET Professeur, Université d´Orléans Président du jury Mme. Colette BROGNIEZ Professeur, Université de Lille I Rapporteur M. Alain HAUCHECORNE Directeur de recherche, LATMOS Rapporteur M. Slimane BEKKI Directeur de recherche, LATMOS Examinateur Mme. Christine BINGEN Chercheur, IASB, Belgique Examinatrice M. Paolo LAJ Directeur de recherche, LGGE Examinateur M. Jean-Baptiste RENARD Directeur de recherche, LPC2E Directeur de thèse A Ignacio, Natalia y David Remerciements Je remercie Pierre-Louis Blelly, directeur du LPCE à mon arrivée, de m´avoir accueillie au sein du laboratoire, et Michel Tagger, directeur du LPC2E à mon départ, que j´ai eu la chance de mieux connaître. Merci aux membres du jury: Paolo, pour avoir accepté d´examiner ce travail; Christine et Slimane, pour l´intérêt qu´ils ont porté à ma thèse, et pour les discussions qui ont enrichi mon esprit scientifique. Alain et Colette méritent une reconnaissance spéciale, et Gilles une affection particulière. Je remercie sincèrement Jean-Baptiste, car en travaillant à ses côtés j´ai énormément appris pendant ces trois années. Je lui suis reconnaissante de l´encadrement dont j´ai bénéficié et de l´expérience inoubliable qui a été celle de l´accompagner lors d´un vol à bord de l´A300 ZERO-G. Je dois beaucoup à Christophe, grâce à qui j´ai découvert l´enseignement dans les meilleures conditions. Je le remercie pour ses conseils, et pour son engagement en tant que tuteur pédagogique. Merci également à Charles de Izarra, directeur de l´antenne universitaire de Bourges, et à Luc Morin-Allory, ancien directeur de l´École Doctorale et actuel directeur du CIES. Merci à Julien, Antoine et Franck pour les services rendus et pour leur disponibilité; à Marco pour ses nombreux coups de main et dépannages; à Michèle, sur qui j´ai pu compter (y compris weekends et jours fériés) pour consulter articles et ouvrages en urgence... Merci à Jean-Louis, Aurélie et Xavier de ne pas avoir lésiné en bon conseils, à Jean Yves pour son aide informatique et pour les bons moments passés au LPCE (Le Petit Club d´Échecs), à Mirvatte pour avoir rendu le quotidien dans notre bureau aussi sympathique... ! Bien plus nombreuses que les personnes citées me sont chères, mais leur amitié se situe au-delà du remerciement; je pense à tous ceux qui, au LPC2E et ailleurs, ont fait partie de ma vie pendant ces années. Mes pensées plus affectueuses s´adressent à mes parents, à mon frère et à Rémi. 7 Table des matières Acronymes 11 Introduction 13 Chapitre 1. L´atmosphère terrestre et les aérosols 17 1.1 Bilan radiatif ...................................................................................................................... 18 1.2 Structure et composition de l´atmosphère ................................................................................ 19 1.3 Dynamique atmosphérique ....................................................................................................... 21 1.3.1 Circulation générale ........................................................................................................ 21 1.3.2 Éléments de la dynamique stratosphérique ..................................................................... 22 1.4 Chimie stratosphérique ............................................................................................................. 25 1.4.1 Chimie de l´ozone ........................................................................................................... 25 1.5 Aérosols: généralités ................................................................................................................ 28 1.5.1 Définition et classification .............................................................................................. 28 1.5.2 Distribution en taille ....................................................................................................... 30 1.5.3 Effets climatiques des aérosols ....................................................................................... 31 1.6 Aérosols stratosphériques ......................................................................................................... 33 1.6.1 Instruments et techniques de mesure .............................................................................. 33 1.6.2 Nuages stratosphériques polaires .................................................................................... 37 1.6.3 Aérosols liquides sulfatés ............................................................................................... 38 1.6.4 Aérosols volcaniques ...................................................................................................... 39 1.6.5 Aérosols carbonés ........................................................................................................... 45 1.6.6 Poussières interplanétaires .............................................................................................. 47 1.6.7 Distribution des aérosols stratosphériques ...................................................................... 48 Table des matières 8 Chapitre 2. L´instrument GOMOS 51 2.1 Description générale de l´instrument GOMOS ........................................................................ 52 2.2 Optique atmosphérique ............................................................................................................. 53 2.2.1 Spectroscopie d´absorption ............................................................................................. 53 2.2.2 Contribution de diffusion ................................................................................................ 54 2.2.3 Extinction ........................................................................................................................ 55 2.3 La technique d´occultation stellaire .......................................................................................... 56 2.3.1 Choix des sources lumineuses ......................................................................................... 57 2.3.2 Couverture géographique des observations .................................................................... 58 2.3.3 Résolution verticale et précision ..................................................................................... 59 2.4 Produits scientifiques ................................................................................................................ 61 2.4.1 Données de niveau 1b ..................................................................................................... 61 2.4.2 Données de niveau 2 ....................................................................................................... 61 Chapitre 3. L´algorithme d´inversion 65 3.1 Description de la méthode d´analyse ........................................................................................ 66 3.1.1 Domaine spectral ............................................................................................................. 67 3.1.2 Inversion spectrale .......................................................................................................... 68 3.1.3 Inversion spatiale (ou verticale) ...................................................................................... 77 3.2 Critères de sélection .................................................................................................................. 81 3.2.1 Critère sur l´écart type ..................................................................................................... 82 3.2.2 Critère sur l´altitude minimale de l´ozone ...................................................................... 83 3.2.3 Critère additionnel ........................................................................................................... 83 3.3 Validation de la méthode d´analyse .......................................................................................... 85 3.3.1 Comparaison directe ....................................................................................................... 86 3.3.2 Comparaison à d´autres produits ..................................................................................... 93 Chapitre 4. Climatologie 2002-2006 et analyse 103 4.1 Couverture temporelle et géographique .................................................................................. 104 4.2 Profils d´extinction ................................................................................................................. 109 4.2.1 Couche de Junge ........................................................................................................... 109 4.2.2 Nuages stratosphériques polaires .................................................................................. 111 Table des matières 9 4.2.3 Moyennes journalières .................................................................................................. 112 4.3 Répartition spatiale des aérosols ............................................................................................ 115 4.4 Nature des aérosols ................................................................................................................. 136 4.4.1 Particules météoritiques ................................................................................................ 140 4.4.2 Aérosols carbonés ......................................................................................................... 141 4.4.3 Comparaison à des mesures in situ ............................................................................... 141 4.5 Interprétation dynamique........................................................................................................ 143 4.5.1 Hivers polaires .............................................................................................................. 147 4.6 Événements particuliers ......................................................................................................... 148 4.6.1 Août-septembre 2003 .................................................................................................... 148 4.6.2 Hiver arctique 2003-2004 ............................................................................................. 151 4.6.3 Hiver arctique 2005-2006 ............................................................................................. 152 Conclusions générales et perspectives 153 Annexe 157 Liste des Tableaux 169 Liste des Figures 171 Bibliographie 177 11 Acronymes ACE : Atmospheric Chemistry Experiment AMON : Absorption par les Minoritaires Ozone et NOx CCD : Charge-Couple Device CCNUCC : Convention Cadre des Nations Unies sur les Changements Climatiques CI : Color Index CME : Coronal Mass Ejection DMS : DiMethyl Sulfide (CH3-S-CH3) DOAS : Differential Optical Absorption Spectroscopy ECMWF : European Center for Medium-Range Weather Forecasts ENVISAT : ENVIronnemental SATellite ESA : European Space Agency FFT : Fast Fourier Transform GES : Gaz à Effet de Serre GIEC : Groupe d´Experts Intergouvernemental sur l´Evolution du Climat GOMOS : Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars IASB : Institut d´Aéronomie Spatiale de Belgique IDL : Interactive Data Language IPCC : Intergovernmental Panel on Climate Change Acronymes 12 IR : Infra-Rouge LATMOS : Laboratoire ATmosphère, Milieux, Observations Spatiales LPC2E : Laboratoire de Physique et Chimie de l´Environnement et de l´Espace LOA : Laboratoire d´Optique Atmosphérique MODIS : Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer MSIS90 : Mass-Spectrometer-Incoherent-Scatter Model (version 90) NDACC : Network for the Detection of Atmospheric Composition Change NOx : Oxydes d´azote: NO, NO2 NOy : Composés oxy-azotés: NOx, NO3, N2O5, ClONO2, HNO3 OCS : Oxysulfure de carbone ou sulfure de carbonyle (O=C=S) PSC : Polar Stratospheric Cloud QBO : Quasi Biennial Oscillation SAGE : Stratospheric Aerosol and Gas Experiment SALOMON: Spectroscopie d´Absorption Lunaire pour l´Observation des Minoritaires Ozone et NOx SPARC : Stratospheric Processes And their Role in Climate SPE : Solar Proton Event SSW : Sudden Stratospheric Warming STAC : Stratospheric and Tropospheric Aerosol Counter SVC : Subvisible Cirrus Cloud TOMS : Total Ozone Mapping Spectrometer UV : Ultra-Violet 13 Introduction Les notions de pollution, déforestation, problèmes environnementaux, biodiversité, qualité de l´air, ou encore destruction de la couche d´ozone et réchauffement climatique sont relativement récentes. C´est en 1972, lors de la conférence des Nations Unies sur l´Environnement Humain à Stockholm, que les préoccupations écologiques sont abordées pour la première fois au rang des préoccupations internationales. De cette rencontre sort la création du Programme des Nations Unies pour l´Environnement (PNUE), et de réunions décennales que l´on nomma Sommets de la Terre, destinés à faire le point sur l´état de notre planète et à définir les moyens de stimuler le développement durable au niveau mondial. Le troisième Sommet de la Terre, la Conférence de Rio en 1992, est marqué par l´adoption d´un texte fondateur de 27 principes, intitulé: « Déclaration de Rio sur l´environnement et le développement », et par la création de l´UNFCC (United Nations Framework on Climate Change), en français CCNUCC (Convention Cadre des Nations Unies sur les Changements Climatiques), un traité international signé par plus de 150 pays, qui reconnaît les possibilités de préjudice du réchauffement climatique, et qui adopte alors l´objectif d´une stabilisation des émissions de gaz à effet de serre. L´IPCC (International Panel on Climate Change), en français GIEC (Groupe d´experts Intergouvernemental sur l´Evolution du Climat) a comme activité principale la publication uploads/Science et Technologie/ veronica-salazar-2724.pdf