Les mesures dans la Stratosphère

Nous avons parlé des concentrations des composés chimiques dans la stratosphère. Mais comment fait-on pour les connaître, alors même que la stratosphère commence entre 8 km et 15 km d'altitude, là où les avions normaux ne volent pas?

Il existe deux méthodes pour mesurer les composés de la stratosphère:

  • Les instruments peuvent être embarqués dans des avions spéciaux, ou dans des ballons-sondes.
  • On peut aussi exploiter le fait que les molécules de l'air interagissent avec la lumière, ce qui permet d'étudier la stratosphère à partir du sol ou de l'espace (avec des satellites).

Les avions

Des mesures très précieuses ont pu être faites avec des avions spéciaux, comme par exemple l'avion espion russe à haute altitude qui s'appelle maintenant "Geophysica". Il a été transformé en laboratoire volant. De tels avions volent à des altitudes pouvant atteindre 20 km. Ces expéditions coûtent très cher et les avions émettent des composés qui pourraient nuire à la stratosphère s'il sont utilisés trop souvent.

Geophysica - high altitude research plane

1. Geophysica - avion de recherche à haute altitude
source: MDB Design Bureau

Ballons-sondes

Une alternative plus utilisée est la mesure par ballon-sonde. Ils peuvent atteindre des altitudes de 30-35 km avant d'éclater, et porter par exemple des petits détecteurs d'ozone. Les mesures sont envoyées vers la Terre par signal radio. Bien que dorénavant l'ozone soit mesurée par des satellites, les ballons-sondes sont meilleurs pour réaliser des mesures en fonction de l'altitude.

Ozone balloon start

2. a) Lancement d'un ballon-sonde à l'observatoire Hohenpeissenberg
merci à Ulf Köhler

Ozone probe

2. b) Détecteur d'ozone pour les mesures en ballon-sonde
merci à Ulf Köhler, DWD Hohenpeissenberg

Interaction avec la lumière

Ce phénomène est très difficile à comprendre. De façon très simple, quelque chose se passe lorsque la lumière et la matière interagissent ensemble. La lumière peut être absorbée, réfléchie, diffusée ou absorbée puis réfléchie sous une autre forme (c'est à dire changer de longueur d'onde).

On peut voir facilement que les nuages, l'eau ou les grosses particules de l'air agissent sur la lumière: le soleil est parfois masqué par les nuages; lorsque nous plongeons de plus en plus profondément dans la mer tout devient plus sombre; une tempête de sable peut aussi cacher le soleil. Mais il n'y a pas que les grosses particules, l'eau ou les nuages qui absorbent ou réfléchissent la lumière: les molécules dans l'air le font aussi. Ils peuvent renvoyer la lumière vers la Terre, ou bien absorber la lumière et la renvoyer sous une autre forme. La phosphorescence et la fluorescence en sont des exemples: certains jouets prennent la lumière du soleil ou de l'éclairage et la ré-émettent sous une autre forme, que nous pouvons voir dans la nuit. Les caractéristiques de cette lumière dépendent des composés, et son intensité de leur concentration.

Les interactions entre la lumière et les molécules de la stratosphère peuvent s'observer à partir du sol, ou bien à partir de l'espace grâce aux satellites.

phosphorescence

3. La phosphorescence a lieu lorsque la lumière est absorbée et ré-émise à une autre longueur d'onde.
source: image composée à l'aide de photos Internet par E Uherek.

Le Lidar

Le Lidar (pour light detection and ranging) est une technique qu'on utilise à partir du sol. On envoie vers le ciel une courte impulsion laser très puissante. La lumière est en partie réfléchie par les molécules de l'atmosphère, et revient vers le Lidar qui la mesure.

LIDAR

4. mesures par LIDAR
Image issue de l' Université de Western Ontario

Les caractéristiques et l'intensité de la lumière fournissent des informations sur la nature et le nombre des composés de l'atmosphère.
Comment savoir de quelle altitude provient la lumière qui revient? Et bien on mesure le temps mis par la lumière pour revenir après l'envoi de l'impulsion laser. Plus la lumière met de temps pour retourner vers le Lidar, plus les molécules se trouvent haut dans l'atmosphère.
 
L'animation ci-contre à gauche montre une impulsion laser par un Lidar. La lumière est renvoyée par les molécules contenues dans l'air et revient au détecteur du Lidar à des intervalles variables en fonction de l'altitude des molécules gazeuses.

5. Comment fonctionne un LIDAR ?
auteur: Anja Kaiser © ESPERE

Le RADAR et le SODAR

Il existe plusieurs autres techniques de détection, la plus connue étant le RADAR qui fonctionne non pas avec de la lumière mais avec des ondes radio. On peut mesurer les particules de l'air et les propriétés des nuages. Le Radar permet par exemple de traquer les tempêtes sur plusieurs centaines de kilomètres. Si on utilise le son pour de telles mesures (par exemple avec un SODAR) on peut mesurer avec efficacité la direction et la vitesse du vent.

SODAR - wind speed measurements

6. Un SODAR qui mesure la vitesse du vent
photo issue de Meteotest

Les satellites

Les satellites permettent d'observer la Terre depuis l'espace. Certains d'entre-eux restent toujours au-dessus de la même zone (ce sont les satellites géostationnaires) tandis que d'autres sont en orbite à une altitude de 500 - 1000 km et font le tour de la Terre en moins de 2 heures. Certains satellites possèdent des instruments qui mesurent la lumière qui a traversé l'atmosphère et interagit avec ses molécules. Les scientifiques peuvent ainsi obtenir des informations sur la composition chimique de l'atmosphère.

Les satellites permettent de fournir des informations variables suivant leur position:

  1. le satellite peut mesurer la lumière qui est réémise par les nuages et les molécules de gaz contenues dans l'air
  2. la terre réémet des rayons infrarouges (qui sont de la chaleur) que les satellites peuvent mesurer
  3. selon la position du soleil, de la Terre et du satellite, la lumière du soleil peut traverser directement l'atmosphère avant de parvenir au satellite. On peut obtenir ainsi des informations sur les différents composés de l'atmosphère en fonction de leur altitude.

Satellite measurement

7. Les différentes techniques de mesures satellitaires
schéma par Elmar Uherek

A propos de cette page:
auteur: Elmar Uherek - MPI Mainz
première version: 13.06.2003
relecteur pédagogique: Michael Seesing - Uni Duisburg - 2003-07-02
dernière version: 08.10.2008

Ostatnia modyfikacja: wtorek, 23 czerwiec 2020, 13:34