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Les secrets de Iasi, l'instrument de la météo et de la climatologie

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Le satellite météorologique européen Metop-B, lancé le 17 septembre 2012, porte l'instrument Iasi 2012. Ce sondeur infrarouge scrute l'atmosphère et sert à la météorologie, pour produire de meilleures prévisions, ainsi qu'à surveiller la pollution. Sur le long terme, il est utilisé en climatologie. Rencontre avec Cyril Crevoisier, chercheur au laboratoire de Météorologie dynamique du CNRS, qui nous explique le fonctionnement de cet instrument étonnant.

Cartes mensuelles (juillet 2008) des variables climatiques essentielles observées par le sondeur Iasi embarqué sur Metop-A. Disponibles depuis juillet 2007, les observations de Iasi offrent la possibilité de suivre ces variables climatiques essentielles sur le long terme. Légende : distribution des nuages hauts (a), des nuages bas (b) et variation diurne de ces nuages (c) ; contenu en gaz à effet de serre : CO2 (d), CH4 (e) et CO (f) ; poussières désertiques : épaisseur optique (g), altitude (h) et taille des particules (i) ; surface : température (j) et émissivité (k). © LMD/CNRS

Instrument très efficace pour améliorer les prévisions météorologiques, Iasi (Interféromètre atmosphérique de sondage infrarouge), embarqué sur les satellites Metop-A et Metop-B, est également très utile pour la surveillance du climat. Il apporte en effet de nouvelles informations sur les variables climatiques essentielles, pour « renseigner sur l'évolution future du changement climatique ».

Pour mieux comprendre le bilan climatique actuel et les tendances de son évolution, la Convention cadre des Nations unies sur les changements climatiques a reconnu une liste de 50 paramètres clés, appelés Variables climatiques essentielles (VCE), élaborée dans le cadre du Système mondial d’observation du climat. Ces VCE ont été classées en trois groupes : atmosphère, océan et continents. Ce sont les paramètres ayant le « plus d'influence sur le climat en tant que tel », par opposition à celles concernant la qualité de l'air.

Évolution temporelle (2007-2011) et spatiale de la concentration atmosphérique en méthane (CH4) autour de l'équateur, entre 20° de latitude sud et 20° nord, exprimée en parties par milliard en volume (ppbv). Après plus d'une décennie de stabilité, la concentration de ce puissant gaz à effet de serre a recommencé à croître début 2007. Cette augmentation récente est bien visible sur cette figure, de même que la forte variation saisonnière du méthane, liée à la variation saisonnière des émissions à la surface (zones inondées, rivières, bétail, etc.) et de la destruction du méthane par réaction chimique dans l'atmosphère. © LMD/CNRS

Des performances uniques

Iasi est un sondeur atmosphérique dont la technique de mesure repose sur la télédétection infrarouge passive. Pour cela, il utilise un « spectromètre à transformée de Fourier » travaillant dans l'infrarouge sur 8.461 canaux (des bandes de fréquences). Ce nombre élevé rend l'instrument « très performant ».

Concrètement, avec ses canaux, Iasi couvre l'ensemble du spectre infrarouge, de 3,7 microns à 15,5 microns. Même si personne n'utilise tous ces canaux, grâce à cette couverture, Iasi obtient une résolution spectrale de 0,25 cm-1. D'un point de vue technique il ne serait pas possible d'atteindre une telle résolution avec seulement une dizaine de canaux à différents endroits du spectre. « D'où la nécessité d'avoir ces 8.461 canaux même si in fine on ne va pas tous les utiliser. »

À cette résolution spectrale s'ajoute « une bonne performance radiométrique (rapport signal/bruit), une excellente couverture géographique et une bonne résolution spatiale (taille du pixel de 12 km) ». Sur le rapport signal/bruit, il faut savoir qu'à la différence des instruments utilisés dans le passé, on « n'observe pas sur Iasi de dégradations de ce rapport signal/bruit. Après cinq années d'utilisation, il est identique à celui que l'on avait au départ ».

Un des atouts majeurs de Iasi est qu'il donne accès à beaucoup de variables climatiques d'un seul coup d'œil dans le spectre infrarouge. Il a notamment permis des « avancées importantes » dans la connaissance des constituants rares de l'atmosphère que l'on repère dans cette partie du spectre. Certains, comme l'ammoniac, ont été observés depuis l'espace pour la première fois. Son apport pour la connaissance du climat est donc « significatif » pour ce qui « concerne le suivi des constituants minoritaires dans l'atmosphère ». C'est d'autant plus important que l'incertitude sur la caractérisation de nombreuses variables « influe fortement sur les projections climatiques futures ».

Distributions d'ammoniac en 2008 mesurées par le sondeur Iasi au-dessus de l'Europe, superposées à une image obtenue par l'instrument Modis. Du jaune au rouge, les couleurs indiquent des concentrations d'ammoniac de plus en plus fortes. Les structures blanches sont des nuages. © ULB/Latmos & image Modis : L. Gonzalez et C. Deroo (LOA et Université de Lille)

Deux Iasi au-dessus de nos têtes

Il est également le seul instrument qui mesure simultanément deux fois par jour en tout point du globe 27 composés atmosphériques, en temps réel. C'est « quelque chose de fantastique » car cela « permet d'étudier les corrélations entre ses différentes variables ». L'exemple le plus caractéristique est celui des feux de biomasse. Quand la végétation brûle, elle émet principalement du dioxyde de carbone (pendant la phase de combustion intense, surtout le jour) et en proportion moindre du monoxyde de carbone (pendant la phase de combustion lente, surtout la nuit). Ici, l'avantage de Iasi est que l'on mesure simultanément ces deux gaz, ce qui « nous permet de caractériser finement quelles sont les émissions de carbone qui sont associées au gaz. Jusqu'à présent on n'avait pas été capables de le faire ».

Enfin, le bon état de fonctionnement de Iasi et de Metop-A, lancé en octobre 2006 a poussé le Cnes et l'Eumetsat à augmenter la durée de vie de l'instrument de 2 ans, avec possibilité d'une nouvelle extension de 3 ans. En conséquence, le lancement de Metop-C a été reporté de 2 ans, de 2016 à 2018. Une décision qui assure aux scientifiques qu'il « n'y aura pas d'interruption de données entre les deux générations de Metop ». Cette continuité des observations par satellite sur de longues périodes est une nécessité si l'on « veut définir des modèles les plus fins possibles des processus climatiques qui sont à la base des simulations des conditions climatiques futures ».

Avec le lancement de Metop-B, deux instruments Iasi se trouvent en même temps dans l'espace. Pour Cyril Crevoisier, il s'agit d'une occasion « unique de mettre en pratique certaines idées », comme celle qui consiste à suivre en temps réel un « nuage de pollution au-dessus d'une grande ville ». L'objectif est d'anticiper et de suivre comment dans la journée la pollution va affecter différentes parties d'une ville. Autre exemple, le « suivi des feux » dont l'intérêt est plus climatique, qui doit « nous permettre de voir comment le transport des émissions de gaz dans l'atmosphère varie suivant l'heure de la journée et la phase de combustion ».

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