Comment mesurer la couche d'ozone?

Les premières mesures d'ozone datent de 1927. Le spectrophotomètre conçu par Dobson vise le Soleil et la mesure d'ozone est effectuée par la différence d'absorption entre deux longueurs d'onde situées dans le domaine de l'ultraviolet.

De cette date à 1978, les mesures d'ozone (en unités Dobson) n'ont été réalisées que depuis le sol, grâce à la centaine d'instruments Dobson répartis sur le globe, essentiellement aux latitudes moyennes de l'hémisphère nord. Entre temps, l'instrument Dobson avait été perfectionné pour donner le spectrophotomètre à ozone Brewer, du nom d'Alan Brewer, le scientifique auteur de cette évolution. Ces dernières années, à l'initiative de l'Institut Polaire Français, un nouveau système d'observation de l'ozone a été développé, l'instrument SAOZ (Système d'Analyse par Observation Zénitale) qui permet de réaliser des mesures y compris lorsque le soleil est bas sur l'horizon. L'ensemble a permis d'aboutir à l'important réseau de mesures d'ozone du programme de surveillance de l'atmosphère GAW, administré par l'Organisation Météorologique Mondiale. A titre d'exemple est présentée ci-dessous la base Antarctique française de Dumont d'Urville qui réalise des mesures à l'aide d'un spectrophotomètre par 66,65° de latitude sud et 140° de longitude est.  Comme dans d'autres domaines d'observation de l'atmosphère, les instruments situés au sol se sont avérés indispensables pour étalonner les appareils embarqués à bord des satellites.

Depuis 1978, les mesures satellitaires ont considérablement enrichi la connaissance de la distribution de l'ozone stratosphérique. Le satellite Nimbus 7, équipé de l'instrument TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer) a fonctionné de 1978 à 1993 et fourni une masse considérable d'informations aux scientifiques. Ses observations ont permis de franchir un grand pas dans la connaissance de l'ozone stratosphérique. Depuis, d'autres systèmes spatiaux ont pris le relais, dont le plus récent est le satellite MetOp, lancé en 2006 équipé du spectromètre GOME-2.

Base de Dumont d'Urville, en Antarctique

L'instrument TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer) est un spectromètre qui fut embarqué dès 1978 à bord du satellite Nimbus 7. Cet instrument mesure l'ozone par observation du rayonnement solaire diffusé par l'atmosphère terrestre dans le domaine de l'ultraviolet. La mesure d'ozone s'effectue à partir du calcul du rapport de l'énergie reçue pour deux longueurs d'onde, 312 nm et 331 nm, l'une étant fortement absorbante et l'autre faiblement. L'instrument TOMS effectue 35 mesures en 8 secondes. Chacune de ces mesures correspond à un champ d'observation de 50 à 200 km de large, selon un axe de balayage perpendiculaire à la direction d'avancement du satellite. 200 000 mesures sont ainsi effectuées quotidiennement. 

 

Le satellite Nimbus 7  a été lancé le 24 octobre 1978 de la base de Vandenberg, en Californie. Placé sur une orbite polaire, héliosynchrone, à 940 km d'altitude (période de 104 min), il a assuré (avec TOMS) la mission de cartographie mondiale de l'ozone jusqu'en avril 1993, soit pendant près d'une quinzaine d'années.
La longévité remarquable de Nimbus 7 a permis aux scientifiques de disposer d'une énorme banque de données sur l'ozone et de progresser rapidement dans la connaissance de la stratosphère. 

 

Depuis le lancement du satellite Nimbus 7, opérationnel d'octobre 1978 à avril 1993, des instruments de mesure et de cartographie de l'ozone stratosphérique ont été embarqués à bord de différents vecteurs :

* d'août 1991 à fin 1994 :  Météor-3 - TOMS (Météor-3 est un satellite défilant russe)
* d'août 1996 à juin 1997 : ADEOS - TOMS (ADEOS est un satellite défilant japonais ; altitude 800 km)
* de juillet 1996 à décembre 2005 : Earth Probe - TOMS ; (Earth Probe est un satellite défilant américain ; altitude orbitale : 500 km)
* d'avril 1995 à 2002 : ERS-2 - GOME (Les satellites ERS1 et 2 sont des satellites européens dédiés à l'environnement)
* de 2002 à maintenant : ENVISAT - SCIAMACHY (Envisat est un gros satellite européen dédié à l'étude de l'environnement et comportant un grand nombre de capteurs).
* depuis 2004 : Aura – OMI (L'instrument OMI « Ozone Monitoring Instrument » est installé sur le satellite de la NASA nommé Aura et dédié à la chimie atmosphérique)
* depuis 2006 : MetOp-A– GOME2 (MetOp-A est le premier satellite européen à orbite polaire pour l'exploitation météorologique)

Tous ces instruments mesurent les rayonnements solaire ultra-violet et visible du Soleil après réflexion par la surface de la Terre. Les instruments en service actuellement ont une meilleure résolution spectrale (quantité proportionnelle au nombre de canaux monochromatiques scrutant un domaine spectral donné). Ils permettent de déduire le rapport de mélange de l'ozone en fonction de l'altitude dans la stratosphère. De plus, des constituants moins abondants comme SO2, BrO, OClCO et NO2 ont été détectés. Les images globales de la répartition de NO2 montrent en particulier les sources de pollution en surface.

L'ozone est également mesuré dans le domaine infrarouge en utilisant le rayonnement de la Terre comme source de lumière. L'utilisation récente de spectromètres à transformées de Fourier tels que l'instrument IASI (satellite MetOp-A) permet une grande résolution spectrale dans la bande d'absorption de l'ozone à 9,7 µm et améliore la mesure du rapport de mélange de l'ozone dans le domaine d'altitude de 5 à 15 km.

Pour la surveillance de la colonne d'ozone comme variable du climat, il est nécessaire de disposer de données bien étalonnées, en particulier sur des cycles solaires complets (11 ans). Des comparaisons entre observations depuis l'espace et observations depuis la surface sont utilisées pour rendre compatibles l'ensemble des données disponibles.
Pour l'étude de l'ozone troposphérique, produit en partie par la pollution, et la surveillance de la qualité de l'air, on prépare des missions depuis des satellites géostationnaires qui offrent de meilleures résolutions horizontale (quelques kilomètres) et temporelle (1 heure).