Comprendre l’atmosphère
Source : Rapport CNES SPS 2024
L’analyse des phénomènes atmosphériques est cruciale pour mieux comprendre notre système climatique. La compréhension des cycles des gaz à effet de serre (GES), contributeurs clés au changement climatique, demeure encore insuffisante de même que la compréhension des mécanismes qui influencent la formation des nuages et des précipitations en lien avec la charge en aérosols dans l’atmosphère. Les composés chimiques réactifs ont aussi un impact, direct et indirect, sur le climat et la qualité de l’air nécessitant d’être mieux documenté. Améliorer nos connaissances sur ces sujets permettent également de répondre à certains défis auxquels notre société est confrontée. En particulier, notre capacité à nous adapter au changement climatique dépend de notre aptitude à mieux anticiper les conséquences des phénomènes extrêmes tels que les tempêtes, les fortes précipitations, les canicules et sécheresses, les éruptions volcaniques, les méga-feux… L’observation de la Terre depuis l’espace est un outil essentiel pour avancer sur ces problématiques, en synergie avec les mesures depuis la surface, les mesures par ballons et avions dites « mesures suborbitales» et la modélisation numérique du système Terre.
Les années à venir verront une forte croissance du volume des données spatiales disponibles avec la montée en puissance du programme Copernicus, et le renouvellement complet de la flotte de satellites d’observation de la Terre d’EUMETSAT. Ceci va obliger les acteurs à se concentrer sur le traitement, la modélisation et l’exploitation des données ainsi que sur la définition de besoins en observations complémentaires aux observations spatiales, telles que celles exploitant les moyens de la nouvelle Infrastructure de recherches IN AIR (Infrastructure Nationale des Aéronefs Instrumentés pour la Recherche). Il est également probable que nous franchissions un cap dans le domaine des sciences de l’environnement avec l’avènement de l’intelligence artificielle (IA) qui permet des traitements complexes d’énormes quantités de données de manière très rapide et automatique. Cette révolution technologique passera par un effort continu de mise à disposition des données FAIR (Findable, Accessible, Interoperable, Reusable) que le pôle de données atmosphériques AERIS, maintenant largement utilisé par la communauté, anticipe.
Les enjeux scientifiques et observations possibles depuis l’espace
Affiner notre connaissance du cycle des gaz à effet de serre grâce aux observations spatiales
Objectifs
Ce premier axe concerne les GES, leur impact climatique ainsi que l’estimation de la part anthropique des émissions. Les questions sur lesquelles il est important de progresser afin d’affiner notre connaissance de ces cycles sont :
- Comment estimer les flux de CO2 et du méthane via l’inversion atmosphérique ?
- Comment expliquer la variabilité interannuelle du contenu en méthane dans l’atmosphère ?
- Quel seuil de détection est-il nécessaire d’atteindre afin de mettre en évidence les points d’émission et raffiner ainsi les inventaires et la caractérisation des sources ?
Au-delà d’établir le bilan global des GES, un défi récurrent est de pouvoir déterminer les parts naturelle et anthropique des émissions. Ce besoin nécessite de pouvoir réaliser des mesures à haute résolution spatiale.
Observables
Multi variables
Concentration des principaux gaz à effets de serre anthropiques: le CO2 et le méthane
Type de mesure
mesures passives de spectromètres ou interferomètres dans le proche infra rouge
Mesures actives lidar pour MERLIN
Instruments embarquées sous ballons et avions
Missions contributrices
MicroCarb,
CO2M, Merlin, IASI-NG, Sentinel 5P et 5
MAGIC
IASI-NG, MERLIN
Mieux caractériser la pollution atmosphérique et suivre la qualité de l’air
Objectifs
Le suivi de l’évolution des concentrations de divers polluants atmosphériques, sous forme gazeuse (O3 , NOx , COV) ou particulaires (aérosols) est un enjeu important pour notre climat et pour la qualité de l’air. Les travaux à venir permettront de répondre aux questions suivantes :
Quelles sont les tendances à long terme des composés atmosphériques dans la troposphère libre et la basse stratosphère, notamment en relation avec le changement climatique ?
Comment améliorer le suivi des principaux gaz polluants et particules qui modifient l’équilibre physico-chimique de l’atmosphère et dégradent la qualité de l’air en surface ?
Quelle est la composition des panaches émis par les feux de biomasse et les volcans ? Comment évoluent-ils chimiquement lors du transport ?
La plupart des sources magnétiques ne peuvent être mises en évidence que par une accumulation
de données sur un temps long (correspondant au moins au cycle solaire) et parfois à des altitudes et des échelles variées afin d’amplifier le rapport signal sur bruit des structures et de les séparer des signaux transitoires.
En gravimétrie, il est indispensable d’acquérir des observations permettant de distinguer les signaux court-terme (hydrologie, séisme) et long-terme (structure) à différentes altitudes. Atteindre ces objectifs requiert des observations spatiales pérennes sur plusieurs décennies et des mesures au sol, par drone et embarquées (bateau, avion, ballons).
Observables
Multi variables,
Concentration de gaz réactifs (33) tels que Ozone, CO, NO2, NH3, etc..
Spéciation des aérosols et particules fines ( inférieures à 10 Micron)
Type de mesure
spectro-imageur UV-Visible-NIR UVN
Spectro-imageur IRS
Polarimètres
Instruments embarquées sous ballons et avions
Missions contributrices
CALIGOLA / AOS
MAGIC
IASI-NG
Sentinel 4 et 5
Meteosat Nouvelle Génération MTG-S et Sentinel 5
(UVNS) – IASI-NG
3MI à bord d’EPS-SG A
Étudier la formation et le développement des nuages en fonction de leur environnement
Objectifs
La formation des nuages consiste en la condensation de la vapeur d’eau en petites gouttelettes d’eau liquide ou en petits cristaux de glace lorsque les conditions thermodynamiques y sont favorables. Cette formation fait l’objet du troisième axe de recherche, avec la volonté de répondre aux questions suivantes :
- Quels liens entre précipitations, activité électrique des orages et chimie atmosphérique ?
- Comment le mélange et les propriétés des aérosols anthropiques et naturels agissent-ils sur les processus de formation des nuages, leurs propriétés radiatives et les précipitations ?
- Comment améliorer notre compréhension de la convection profonde, processus clé pour notre climat ?
Observables
Flux de masse, Spéciation des aérosols,
Vents
Missions contributrices
EarthCARE CALIGOLA/AOS
C2OMODO/AOS, C3IEL
WIVERN (radar Doppler)
MTG/LI
Comprendre les interactions entre les processus atmosphériques de grandes et petites échelles
Objectifs
Au niveau global, une bonne compréhension des modes de variabilité internes du système climatique est très importante, cependant les interactions entre processus à des échelles variées sont nombreuses et complexes. Ces questions d’interactions “multi-échelles” font l’objet du quatrième axe prioritaire avec les questions suivantes :
- Comment améliorer la modélisation de ces couplages entre grandes et petites échelles pour l’étude du climat ?
- Comment les phénomènes dynamiques de grandes et petites échelles influencent-ils le mélange des aérosols, la convection et la circulation atmosphérique globale ?
Observables
Multi variables
Missions contributrices
StratoFleet (Héritage Stratéole)
Mieux observer l’atmosphère pour améliorer la prévision météorologique
Objectifs
La Prévision Numérique du Temps (PNT) est en pleine ébullition depuis quelques années avec, à la fois, l’émergence des jumeaux numériques à haute résolution (kilométrique à l’échelle globale, et quelques centaines de mètres à l’échelle régionale)
et la prévision par inférence basée sur l’IA. Ainsi, le cinquième axe de recherches concerne les questions suivantes :
- Comment compléter les observations des instruments spatiaux de référence grâce à des constellations d’instruments miniaturisés ?
- Quels sont les processus atmosphériques nécessitant une contrainte observationnelle à fine échelle ?
Observables
Température, Humidité
Missions contributrices
EPS-Sterna
CMIM
Étudier l’évolution du bilan radiatif de notre planète dans un contexte de changement climatique
Objectifs
Enfin, le sixième et dernier axe de recherches concerne le bilan radiatif de notre planète. L’étude de son évolution intègre les effets combinés de l’évolution des concentrations de GES dans notre atmosphère mais également les différents effets de rétroactions avec les nuages et les aérosols. Ces recherches visent à répondre aux questions suivantes :
- Comment mesurer suffisamment précisément le déséquilibre énergétique radiatif de la Terre pour fournir un indicateur supplémentaire de l’efficacité des politiques environnementales ?
- Quel est l’impact des nuages, des aérosols et des gaz sur le bilan radiatif de notre planète ?
Observables
Spéciation des aérosols,
EEI (Earth Energy Imbalance)
Missions contributrices
CERES (NASA)
ScaRaB
IASI, IASI-NG / EPS-SG, FORUM, ICI
EarthCARE, CALIGOLA/AOS
ECO
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Sources et références
À VENIR.
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