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L'infrarouge pour détecter et mesurer les pics de pollution

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Marie Pinhas-Diena, responsable de la communication scientifique l T. 01 44 27 22 89 l M. marie.pinhas@upmc.fr

L'infrarouge pour détecter et mesurer les pics de pollution

Quand les satellites surveillent les polluants atmosphériques

 

Les observations satellitaires fournissent des informations qualitatives et quantitatives sur les masses d’air qui circulent autour de la Terre et qui brassent des composés chimiques d’origine naturelle et/ou anthropique. Cathy Clerbaux, chercheure au laboratoire « Atmosphères, milieux,observations spatiales » (LATMOS, CNRS/UVSQ/UPMC), analyse avec ses collègues français et belges, la composition de l’atmosphère et en surveille l’évolution. Elle collabore en particulier à la mission IASI qui porte le nom de l’instrument embarqué à bord d’une plateforme météorologique. Une antenne de réception installée sur le toit de l’UPMC sur le campus Jussieu à Paris, reçoit en permanence les mesures du satellite.

 

Un interféromètre dans la troposphère

L’interféromètre atmosphérique de sondage infrarouge (IASI) a été conçu par le Centre national d'études spatiales (Cnes) et lancé en 2006 sur le satellite MetOp-A. Il fournit des observations qui alimentent les modèles de prévision météorologiques et des analyses de la composition de l'atmosphère.

 

Les signaux enregistrés permettent de restituer des profils de température et de vapeur d'eau, des concentrations des constituants atmosphériques qui absorbent dans l’infrarouge thermique, ainsi que des caractéristiques des nuages, des surfaces (émissivités et températures), et des aérosols. 


Une antenne de réception installée sur le toit de l’UPMC sur le campus Jussieu, à Paris, reçoit en permanence les mesures du satellite qui sont ensuite analysées par les chercheurs pour mesurer les concentrations pour une série de gaz liés à la pollution et à effet de serre. Les données traitées en temps réel servent à l’étude et à la surveillance à long terme des gaz, à l’analyse du déplacement des polluants à l’échelle des pays, des continents ou du globe… Par exemple un système d’alertes « éruptions volcaniques » avertit les centres responsables de la surveillance aéronautique, par courrier électronique 7 jours sur 7 et 24 heures sur 24.


Des événements sous haute surveillance satellite

Chaque année apporte son lot d’évènements exceptionnels. En 2009, la première cartographie complète des sources d'ammoniac sur Terre réalisée grâce aux observations IASI a révélé une sous-estimation de certaines sources d'ammoniac répertoriées par les inventaires actuels et en identifie de nouvelles.

 

 

Distribution d'ammoniac mesurée par l'instrument IASI/MetOp en 2008. Les couleurs jaunes à rouges indiquent les régions avec de fortes concentrations d'ammoniac, les structures blanches sont des nuages. © L. Clarisse - ULB

 

En avril 2010 l'éruption du volcan islandais Eyjafjöll a cloué au sol l'aviation européenne durant plusieurs semaines. Les chercheurs IPSL ont pu surveiller l'évolution des panaches de cendres émis par le volcan, du point de vue à la fois de leurs distributions spatiales (observations satellitaires) et de l'altitude à laquelle ils se déplacent (mesures sol et satellitaires).

 

En 2011, des mesures infrarouges de l’instrument IASI embarqué à bord du satellite météorologique MetOp ont mis en évidence l’existence d’une source importante d’acide formique au-dessus des forêts boréales et tropicales, et principal responsable de l'acidité des pluies dans ces régions.

 

En juin 2013, la mission IASI a suivi la pollution à Singapour et dans les environs qui a atteint un niveau record au mois de juin, affectant la qualité de l’air durablement. Les images satellite ont permis de montrer que les niveaux très élevés de pollution étaient liés aux feux de biomasse allumés sur l’île voisine de Sumatra (Indonésie).

 

Premier suivi des pics de pollution en Chine par satellite infrarouge (2013-2014)

Malgré les efforts du gouvernement chinois pour réduire les émissions de surface, la Chine est confrontée de manière récurrente à des événements de forte pollution atmosphérique. C’est devenu un véritable enjeu de santé publique, car chaque année, plus de 300 000 décès prématurés en Chine sont dus à la pollution atmosphérique. En janvier 2013, Pékin a fait face à une pollution sans précédent, principalement due à la combinaison de la consommation saisonnière de charbon et de conditions météorologiques défavorables (absence de vent et inversion de température) piégeant les polluants au niveau du sol. Dans de nombreuses régions, les concentrations atmosphériques des particules fines (PM) ont atteint des valeurs considérées comme nuisibles pour la santé humaine, dépassant près de 40 fois le seuil préconisé par l’Organisation mondiale de la santé sur une journée (25 µg/m3).

 

Afin de suivre la pollution locale et régionale, la Chine possède un réseau de surveillance de la qualité de l’air fournissant en continu des mesures de polluants clés incluant les PM, le monoxyde de carbone (CO) et le dioxyde de souffre (SO2). Cependant la répartition géographique des stations de mesure est sporadique, ce qui rend difficile la prévision des développements d’épisodes de pollution.

 

Dans ce contexte, les observations satellitaires s’avèrent très précieuses en raison de leur excellente couverture géographique et résolution horizontale. Mais ces mesures présentent l’inconvénient d’être surtout sensibles entre 3 et 10 km d’altitude. Déterminer la composition de l’atmosphère à proximité du sol restait jusqu’à présent compliqué avec des satellites.

 

Les chercheurs ont mis en évidence que le sondeur IASI était, contre toute attente, capable de détecter des panaches de polluants même tout près du sol, sous réserve de réunir deux paramètres : les conditions météorologiques doivent être stables, ce qui favorise l’accumulation de polluants au niveau du sol et il faut une différence de température importante entre le sol et l’air juste au-dessus de la surface terrestre. IASI a ainsi mesuré en janvier 2013 au-dessus de Pékin et des villes alentour des concentrations très élevées de polluants d’origine anthropique tels que le CO et le SO2, l’ammoniac (NH3) et des aérosols de sulfate d’ammonium. Le sondeur infrarouge IASI s’avère donc adapté à la surveillance de ces polluants dans de telles conditions.

 

Ces travaux constituent une avancée majeure pour la surveillance de la pollution depuis l’espace. Avec le lancement de IASI-B, deux sondeurs IASI peuvent désormais récolter des informations infrarouge depuis l’espace. Depuis fin janvier 2013, deux fois plus de données sont ainsi disponibles. Il sera dorénavant possible de surveiller plus précisément et plus régulièrement les épisodes de pollution associés à des conditions météorologiques stables. Ces travaux ouvrent des perspectives inédites pour mieux évaluer et gérer la qualité de l’air.

Pour en savoir plus :

 

Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales (LATMOS, CNRS/UVSQ/UPMC)Nouvelle fenêtre

 

La première carte globale des sources d'ammoniac mesurées depuis l'espace (sondeur IASI), juin 2009Nouvelle fenêtre

 

Suivi des émissions de cendres du volcan islandais Eyjafjöll, avril 2010Nouvelle fenêtre

 

De nouvelles observations par satellite révèlent un lien entre les forêts et l’acidité des pluies (sondeur IASI), décembre 2011Nouvelle fenêtre

 

Lancement de la mission de sondage atmosphérique IASI-2, septembre 2012Nouvelle fenêtre

 

La mission IASI traque les pics de pollution à Singapour et en Malaisie depuis l’orbite polaire, juillet 2013Nouvelle fenêtre

 

IASI et la composition de l'atmosphèreNouvelle fenêtre. Une animation sur les observations de la composition de l'atmosphère par l'instrument IASI à bord des satellites MetOp.

 

Feux de forêt en RussieNouvelle fenêtre. CNES, agence spatiale française



20/03/15