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Carte de la pollution atmosphérique au dioxyde d'azote

Sur la base de 18 mois d'observations d'Envisat, une carte atmosphérique mondiale à haute résolution de la pollution par le dioxyde d'azote NO2 montre clairement comment les activités de l'homme influent sur la qualité de l'air.

Carte mondiale du dioxyde d'azote, taux de NO2 sur l’Europe. Crédits ESA. Carte mondiale du dioxyde d'azote, taux de NO2 sur l’Europe. Crédits ESA.

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Le satellite Envisat de l'ESA, avec ses dix instruments, a été lancé en février 2002 et est le plus gros satellite de surveillance de l'environnement au monde. Son spectromètre d'absorption avec imageur à balayage pour la cartographie atmosphérique (SCIAMACHY) enregistre le spectre du rayonnement solaire qui traverse l'atmosphère. Ces résultats sont alors soigneusement filtrés pour trouver les « empreintes » d'absorption spectrale des gaz à l'état de trace dans l'air.

Le dioxyde d'azote (NO2) est essentiellement produit par l'homme, et une exposition excessive à ce gaz entraîne des lésions pulmonaires et des problèmes respiratoires. Le gaz joue également un rôle important dans la chimie atmosphérique puisqu'il engendre la production d'ozone dans la troposphère – qui est la couche inférieure de l'atmosphère sur huit à seize kilomètres de hauteur.

Seuls les capteurs spatiaux permettent de réaliser une surveillance globale efficace : la sensibilité des satellites au dioxyde d'azote de la troposphère a été démontrée pour la première fois par l'expérience GOME (Global Ozone Monitoring Experiment) sur le satellite ERS-2 de l'ESA. Cependant, GOME était seulement un précurseur à échelle réduite de SCIAMACHY financé par l'Allemagne, les Pays-Bas et la Belgique qui a été embarqué sur Envisat.

Des équipes des universités de Brême et d'Heidelberg en Allemagne, l'Institut d'aéronomie spatiale de Belgique (BIRA-IASB) et l'Institut météorologique royal des Pays-Bas (KNMI) ont pu traiter avec succès les données de SCIAMACHY pour produire les cartes les plus fines jamais réalisées des colonnes verticales du dioxyde d'azote troposphérique.

"La résolution spatiale améliorée qu'offre SCIAMACHY signifie que nous voyons beaucoup de détails sur les images globales, y compris l'identification individuelle de villes sources" précise Steffen Beirle de l'Institut de physique de l'environnement de l'Université d'Heidelberg, auteur de la carte présentée.

"La répartition de hautes colonnes verticales de dioxyde d'azote correspond aux grandes villes d'Amérique du Nord et d'Europe, ainsi que de la ville de Mexico en Amérique Centrale et des centrales électriques au charbon en Afrique du Sud, nombreuses et concentrées sur le plateau du Highveld. Il y a également une très forte concentration au-dessus du Nord-Est de la Chine. De plus, sur l'Asie du Sud Est et une bonne partie de l'Afrique, on peut voir le dioxyde d'azote produit par la combustion de la biomasse. Les routes empruntées par les navires apparaissent en certains endroits : regardez la Mer Rouge et l'Océan Indien entre la pointe sud de l'Inde et l'Indonésie. La fumée des cheminées des navires qui empruntent ce trajet rejette de grandes quantités de NO2 dans la troposphère."

Principe de fonctionnement

Comme GOME, SCIAMACHY opère en observant les rayonnements ultraviolets, visibles et du proche infrarouge réfractés dans l'atmosphère. L'essentiel du travail se fait au sol où les chercheurs s'efforcent d'identifier de très petites manifestations d'absorption des gaz rares sur la totalité du spectre de la lumière rétrodiffusée, un exploit qui rappelle la recherche d'une aiguille dans une meule de foin. 

La méthode utilisée s'appelle la spectroscopie d'absorption optique différentielle (DOAS), qui est en fait un processus de filtrage complexe également utilisé par les instruments de prélèvement d'échantillons d'air au sol. Le DOAS supprime le « bruit » spectral dominant dû à la diffusion Rayleigh de la lumière par les particules d'air (c'est ce même phénomène qui fait que le ciel donne l'impression d'être bleu), ainsi que les structures d'absorption des molécules d'oxygène, d'azote et d'eau qui composent l'atmosphère pour l'essentiel.

Ce qui reste après que ces éléments ont été enlevés est le « signal » recherché des structures plus étroites d'absorption des gaz rares, repérées par comparaison avec des profils échantillonnés. Appliquée aux résultats de SCIAMACHY, cette technique est suffisamment sensible pour repérer des colonnes qui contiennent moins de quelques parties de dioxyde d'azote par milliard de particules d'air. Pour donner une idée de l'échelle, au-dessus de grandes agglomérations très polluées comme Londres, les ratios de présence des particules de NO2 peuvent atteindre des niveaux de cent parties par milliard.

"Les résultats fournis par ce capteur et les autres capteurs semblables doivent pouvoir servir à l'avenir à prédire le temps et la qualité de l'air sur des bases chimiques" précise Beirle. "Pour l'instant, nous nous attachons surtout à utiliser les résultats de SCIAMACHY pour quantifier le rôle respectif des différentes sources d'oxyde d'azote – par exemple l'utilisation de combustibles fossiles, la combustion de produits de la biomasse, la foudre – particulièrement parce que l'apport de cette dernière est reste encore très mal connu".


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