Le sondage atmosphérique à haute résolution spectrale dans l’infrarouge pour l’analyse des variables climatiques essentielles
Résumés
L’étude de l’atmosphère terrestre par télédétection spatiale dans l’infrarouge constitue une activité importante du Laboratoire de Météorologie Dynamique depuis sa création. L’équipe ABC(t) qui étudie l’Atmosphère, de la Biosphère et le Climat par télédétection est reconnue internationalement pour la conception, l’exploitation et la validation de nombreuses missions spatiales basés sur l’analyse du rayonnement atmosphérique émis et diffusé par l’atmosphère et la surface terrestre dans l’infrarouge. Les applications scientifiques sont innombrables et se concentrent sur l’étude et le suivi des variables climatiques essentielles pour l’atmosphère et du bilan radiatif de la planète. Forte de cette expertise, l’équipe participe activement aux diverses missions spatiales qui ont jalonné l’étude de l’atmosphère ces dernières décennies, en lien très fort avec les agences spatiales nationale et européennes.
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1La télédétection spatiale dans l’infrarouge repose sur la mesure du rayonnement émis et diffusé par l’atmosphère et la surface d’une planète à l’aide d’instruments embarqués sur des plateformes spatiales. Science encore récente, elle prend son essor dans les années 1970 avec le début de l’observation de la Terre, principalement de ses composants thermodynamiques (température, humidité) à des fins de prévision météorologique. Dès sa création, l’équipe d’Analyse du Rayonnement Atmosphérique du LMD accompagne les premières exploitations de ces observations, en coopération avec les équipes de la NOAA et de la NASA qui opèrent les missions spatiales. Ces instruments de première génération, tel TOVS, sont des sondeurs infrarouges et micro-ondes : ils mesurent le rayonnement électromagnétique à plusieurs fréquences caractérisées par une absorption du rayonnement par différents composants atmosphériques. L’analyse des spectres mesurés permet ainsi de connaitre les principales caractéristiques de la colonne atmosphérique, dont les profils verticaux de température et d’humidité et les contenus en gaz.
2Le début des années 2000 marque un tournant dans la télédétection spatiale infrarouge avec le lancement des premières missions spatiales dites de deuxième génération, caractérisées par une haute résolution spectrale. Toujours à visée météorologique, ces missions révèlent rapidement leur potentiel pour l’étude de l’atmosphère terrestre et de ces constituants, mais aussi pour devenir un acteur majeur du suivi et de l’étude des variables climatiques dites essentielles pour comprendre le fonctionnement sur le long terme du système terrestre.
3En s’appuyant sur l’expertise historique de l’équipe d’analyse du rayonnement atmosphérique (ARA) en modélisation directe et inverse du transfert radiatif atmosphérique, qui permet de relier les spectres de luminances spectrales mesurés à l’état de l’atmosphère, les membres de la nouvelle équipe ABC(t) du LMD, créée en 2008, contribuent à l’exploitation de ces nouvelles missions, mais également initient et participent à la conception de nouvelles missions ambitieuses, allant du proche-infrarouge à l’infrarouge lointain, avec toujours comme ambition la compréhension du bilan radiatif terrestre aux grandes longueurs d’onde, depuis le forçage radiatif apporté par l’augmentation des gaz à effet de serre jusqu’aux principales sources d’incertitude de ce bilan que sont les nuages et les aérosols.
La première mission de nouvelle génération AIRS
4Lancée le 4 mai 2002, AIRS annonce la nouvelle génération de sondeurs infrarouges. Avec 2378 canaux de mesures, là où les sondeurs de première génération n’en avaient que 15, et une résolution spectrale améliorée d’un facteur 100, AIRS ouvre la possibilité de mesurer de nouvelles variables géophysiques. Elle met également en lumière le défi que représente la récupération, l’archivage et le traitement de ces nouvelles missions, rendu possible par le recours au centre de calcul intensif du CNRS, l’IDRIS. Sous la direction d’Alain Chédin, co-investigateur de la mission, une série de thèses va étendre progressivement les variables atmosphériques étudiées, bien au-delà de la température atmosphérique et de l’humidité. S’appuyant sur les travaux menés avec les sondeurs de première génération, la thèse de Cyril Crevoisier (2001-2004) ouvre le bal avec la restitution de concentrations de dioxyde de carbone (CO2) dans la moyenne troposphère et contribue au tout premier projet européen piloté par l’ECMWF sur l’apport des données spatiales pour le suivi des gaz à effet de serre anthropiques qui préfigure le futur service Copernicus. Suivent ensuite la première restitution des caractéristiques des aérosols de poussière désertiques (épaisseur optique, altitude et taille) avec la thèse de Clémence Piérangelo (2002-2005) suivie de celle de Sophie Peyridieu (2007-2010), puis des caractéristiques des surfaces continentales avec la thèse d’Eric Péquignot (2003-2006). En parallèle, sous l’impulsion de Claudia Stubenrauch, l’étude des nuages se renforcent en couplant les observations d’AIRS avec les mesures du lidar de la mission Calipso qui vole en tandem avec AIRS dans la constellation de l’A-Train, grâce aux thèses de Fadoua Eddounia (2001-2004), Nicolas Lamquin (2006-2009) et Anthony Guignard (2009-2012). Ces travaux permettent d’illustrer la complémentarité des observations des sondeurs passifs, caractérisées par une couverture spatiale étendue mais une couverture verticale limitée, et des mesures actives par lidar, caractérisée par une grande résolution verticale mais une observation au nadir seul.
La révolution IASI pour l’étude des variables climatiques essentielles
5Le 19 octobre 2006, un nouveau changement de paradigme s’impose au LMD et à l’ensemble de la communauté, avec le lancement du sondeur infrarouge IASI du CNES et d’EUMETSAT sur la plateforme européenne Metop-A. Ce lancement est l’aboutissement d’un travail commencé dans le milieu des années 1980 et accompagné depuis le début par le LMD. Fruit d’une avancée technologique considérable, IASI couvre pour la première fois de manière continue le spectre infrarouge de 3,7 à 15,5 µm, avec une résolution spectrale constante et un excellent bruit radiométrique. Surtout, IASI se révèle rapidement comme un instrument d’une stabilité spectrale et radiométrique exceptionnelle. En s’appuyant notamment sur les travaux menés au LMD en partenariat avec le CNES, IASI est choisi comme référence internationale pour l’infrarouge par le programme GSICS de l’OMM. Deux lancements suivront en 2012 et 2018 sur les plateformes Metop-B et Metop-C.
6Véritable couteau suisse des études de l’atmosphère terrestre, IASI répond aux besoins de trois communautés : la prévision numérique du temps pour laquelle il est le premier contributeur à la qualité de la prévision, la composition atmosphérique avec la détection de pas moins de 30 espèces chimiques atmosphériques et le climat par le suivi des 16 variables climatiques essentielles pour l’atmosphère définies par le GCOS (Figure 1). C’est ce dernier volet qui est porté par le LMD qui s’appuie sur sa chaine complète de traitement et de suivi des observations afin d’étudier les faibles signaux climatiques, leur tendance et leurs anomalies sur déjà 18 années. La valorisation de ces travaux est forte, avec notamment l’assimilation quotidienne par le service Copernicus des restitutions de gaz à effet de serre et d’aérosols fournies par le LMD afin de réaliser les prévisions de l’atmosphère et du changement climatique. Ils ouvrent la voie à l’étude de nombreux processus atmosphériques et de surface. Trois exemples : la thèse de Thibaud Thonat (2010-2013) exploite l’observation diurne du CO2 et du CO de IASI pour étudier les émissions de gaz par les feux de biomasse tropicaux ; les travaux de Virginie Capelle, qui a rejoint le LMD en 2006, contribuent à l’identification des sources majeures de poussières désertiques au Sahara et du transport associé à l’origine des épisodes de « ciel jaune » sur le continent européen, ainsi qu’au suivi de la température de surface des océans qui permet de confirmer le record de chaleur stockée dans l’océan Atlantique en 2023 ; les travaux menés par Nicolas Meilhac permettent le suivi quotidien des concentrations de CO2 et de CH4 dans la moyenne troposphère, mettant en évidence l’impact des confinements durant la crise du CoVid19 sur les émissions de gaz à effet de serre, ou encore la variation particulière du méthane émis par les zones humides aux hautes latitudes durant l’intersaison.
Figure 1 : Variables climatiques essentielles restituées à partir des observations du sondeur IASI au LMD

©CNRS-LMD, 2024
7Variables climatiques essentielles restituées à partir des observations du sondeur IASI au LMD : couverture nuageuse haute (a), basse (b) et variation diurne (c), colonne dans la moyenne troposphère de dioxyde de carbone (d), méthane (e) et monoxyde de carbone (f), caractéristiques des aérosols de poussière en épaisseur optique (g), latitude (h) et taille (i), température de surface (j), émissivité de surface (k) et rayonnement grande longueur d’onde (l)
8À peine IASI lancée, il faut déjà préparer la suite. Dès 2009, Cyril Crevoisier, qui a intégré le LMD en 2007, et Cathy Clerbaux du LATMOS proposent au CNES la réalisation de la mission IASI-NG. L’objectif est d’étendre les observations de IASI au-delà des 20 années prévues, mais en améliorant la caractérisation des propriétés de l’atmosphère par un nouveau saut technologique. Le LMD joue dès lors un rôle d’animateur de la communauté nationale puis internationale, en assurant la co-présidence du groupe scientifique IASI/IASI-NG chargé de la préparation de la mission. Après un retard de plusieurs années suite à l’indisponibilité du lanceur Ariane 6, le lancement du premier exemplaire IASI-NG à bord de Metop-SG-A1 est désormais annoncé pour novembre 2025. Les suivants suivront en 2032 puis 2039. À termes, ce seront plus de 50 années d’observation de l’atmosphère terrestre dans toutes ses composantes qui seront disponibles avec IASI et IASI-NG. De quoi assurer de belles années de découvertes et un suivi continu de l’évolution du climat terrestre.
Vers le proche-infrarouge pour l’étude des gaz à effet de serre
9Dès le milieu des années 2010, sous l’impulsion de la communauté scientifique et la prise de conscience de la société du changement climatique, les agences spatiales reconnaissent l’importance d’un suivi global des concentrations atmosphériques des gaz à effet de serre anthropiques, le CO2 et le CH4, dont l’augmentation est le principal moteur du changement climatique actuel. Après le succès de deux missions pionnières, la mission GOSAT de la JAXA et la mission OCO-2 de la NASA, la France annonce à la COP21 en 2015 la réalisation de la mission MicroCarb pour le suivi du CO2 et de la mission Merlin pour le CH4. À l’exception de Merlin qui repose sur des mesures actives par lidar, ces missions ont en commun de reposer sur la mesure du rayonnement terrestre dans le domaine du proche-infrarouge dont l’étude permet de restituer une « colonne totale » de gaz, et non plus « partielle » comme avec IASI, somme pondérée de l’ensemble des molécules du gaz présentes le long de la ligne de visée du satellite. Elles ont également en commun de poser des questions fondamentales sur la spectroscopie et la modélisation du transfert radiatif. Des scientifiques du laboratoire rejoignent ainsi rapidement le groupe mission mis en place par le CNES. L’exploration de nouvelles bandes spectrales bénéficient de l’expertise de modélisation des raies d’absorption des gaz autour des travaux d’Ha Tran et Thibault Delahaye. La thèse de Matthieu Dogniaux (2018-2021) conduit à la réalisation du premier code français de restitution des colonnes de CO2 à partir de mesure de télédétection passive dans le proche infrarouge. Ces travaux apportent un éclairage nouveau sur les capacités des instruments présents et à venir à restituer ces colonnes de gaz à la précision nécessaire à l’étude de leurs émissions, qu’elles soient d’origine naturelle ou anthropique. Le défi principal réside ici dans le signal extrêmement faible des variations de CO2 par rapport à la valeur de fond : il est ainsi nécessaire de mesurer avec une précision meilleure que 0,5 ppm des concentrations qui, en moyenne, oscillent autour de 420 ppm.
10Un tel défi pose rapidement la question de la validation des colonnes restituées à partir des observations spatiales au niveau requis pour les études scientifiques. En s’appuyant sur l’expertise historique du LMD sur l’utilisation des ballons stratosphériques et sur les contacts établis avec la NOAA, la thèse d’Olivier Membrive lance dès 2013 la réalisation et le déploiement d’un échantillonneur atmosphérique sous ballons : l’AirCore. Prélevant de l’air à l’aide d’un tube d’une centaine de mètres lors de la descente sous parachute de ballons stratosphériques, cet instrument permet, après analyse, de restituer un profil de concentration de CO2 et de CH4 de la surface à 25 km d’altitude. Un outil idéal pour la validation de colonnes de gaz. Rapidement, un réseau d’observation baptisé AirCore-France fortement soutenu par le CNRS et le CNES se met en place avec 3 sites de lâchers réguliers au niveau national. La réalisation des instruments et le traitement des mesures sont réalisés par les équipes techniques du LMD sous la coordination de Jérôme Pernin. Ces observations apportent rapidement une moisson de résultats : outre la première validation complète des nombreuses missions spatiales, elles mettent en évidence l’incapacité des modèles de transport classiquement utilisés par la communauté étudiant les cycles biogéochimiques à reproduite les variations stratosphériques ou dans la couche limite des gaz, ce qui limite fortement l’apport des observations spatiales dans l’étude des flux à la surface.
11En s’appuyant sur l’AirCore et afin de fédérer la communauté française réalisant des mesures de gaz à effet de serre autour des missions spatiales, l’initiative MAGIC est lancée en 2018 sous la coordination de Cyril Crevoisier. Six campagnes à large échelle, réunissant de 40 à 70 scientifiques internationaux et soutenues par le CNRS, le CNES, l’ESA et EUMETSAT, sont ainsi réalisées de 2018 à 2023. En s’appuyant sur une vingtaine d’instruments déployés au sol, sous ballon et sur avion, en concomitance avec le passage de satellites, l’objectif est double : valider ces missions spatiales et étudier les émissions de gaz à effet de serre qu’elles soient naturelles (comme les émissions de CH4 par les zones humides scandinaves) ou naturelles (comme les émissions de CO2 et de CH4 par les sucreries rémoises). La suite s’annonce prometteuse avec l’organisation de futures campagnes dans l’une des zones les moins connues et pourtant fondamentales pour répondre aux 2 objectifs ci-dessus : la région tropicale (Brésil et Afrique centrale).
Vers une couverture complète de l’infrarouge pour le bilan radiatif terrestre
12Retour aux sources, la thèse de Yoann Tellier (2018-2021) relance avec IASI l’étude du rayonnement grande longueur d’onde et du taux de chauffage, deux paramètres-clé de l’étude du bilan radiatif terrestre, initiée plus de 20 auparavant avec la thèse de Frédéric Chevallier (1995-1998). Hasard du calendrier, l’ESA sélectionne au même moment la mission Earth Explorer 9 FORUM afin de mesurer, pour la première fois, le rayonnement terrestre émis dans l’infrarouge lointain. Avec un lancement prévu en 2027, la mission volera en tandem avec IASI-NG. La combinaison des deux missions permettra de couvrir 99,8 % du domaine infrarouge et fournira ainsi une vision complète du bilan radiatif terrestre aux grandes longueurs d’ondes. Bande spectrale inexplorée, problème de connaissance des paramètres spectroscopiques, questionnement sur la capacité des codes de transfert radiatif à simuler cette bande, c’est tout naturellement que l’équipe ABC(t) du LMD a rejoint le consortium français qui se met en place pour accompagner le développement de cette nouvelle mission ambitieuse.
Conclusion
13L’ensemble des travaux ici présentés illustre à quel point les recherches de l’équipe ABC(t) du LMD sont intimement liées à la programmation spatiale nationale et internationale particulièrement riche de ces dernières décennies. Force de proposition, acteur majeur de la conception et de l’exploitation des missions spatiales, l’équipe s’appuie sur son expertise internationalement reconnue en modélisation directe et inverse du rayonnement atmosphérique. Le code de transfert radiatif directe 4A/OP et la base de données spectroscopiques GEISA créés et gérés par le LMD ont ainsi été sélectionnés par le CNES comme référence pour ces nouvelles missions atmosphériques. L’aventure va continuer, et s’accélérer, ces prochaines années avec le lancement dès 2025 de MicroCarb et IASI-NG, puis de FORUM en 2027 et enfin Merlin en 2029. Les recherches visionnaires entamées dans les années 1970 par les membres fondateurs de l’équipe ARA se poursuivent ainsi avec une nouvelle génération de chercheuses et de chercheurs formés au LMD et poursuivant au laboratoire ou, plus majoritairement, ailleurs leur apport essentiel à l’Etude et l’Observation de la Terre par sondage infrarouge, filière d’excellence française dont elle contribue au fort rayonnement.
Table des illustrations
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Titre | Figure 1 : Variables climatiques essentielles restituées à partir des observations du sondeur IASI au LMD |
Crédits | ©CNRS-LMD, 2024 |
URL | http://journals.openedition.org/hrc/docannexe/image/12651/img-1.png |
Fichier | image/png, 681k |
Pour citer cet article
Référence électronique
Cyril Crevoisier, Raymond Armante, Virginie Capelle, Thibault Delahaye, Nicolas Meilhac, Jérôme Pernin et Claudia Stubenrauch, « Le sondage atmosphérique à haute résolution spectrale dans l’infrarouge pour l’analyse des variables climatiques essentielles », Histoire de la recherche contemporaine [En ligne], Tome XIII n°1 | 2024, mis en ligne le 04 février 2025, consulté le 23 mai 2025. URL : http://journals.openedition.org/hrc/12651 ; DOI : https://doi.org/10.4000/13dhc
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