Une carte mondiale de la pollution de l’air a pu être établie grâce au capteur SCIAMACHY d’Envisat

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.

Le dioxyde d’azote est produit par les émissions en provenance des centrales électriques, de l’industrie lourde et du transport routier ainsi que de la combustion de la biomasse. La foudre dans l’air produit également des oxydes d’azote, naturellement, tout comme l’activité microbienne dans le sol.

Des mesures sur des sites localisées du dioxyde d’azote atmosphérique sont effectuées dans bon nombre de pays occidentaux industrialisés, mais les sources de données au sol sont, dans l’ensemble, fort peu nombreuses.

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.

Même si les deux instruments fonctionnent de la même manière, GOME a une résolution spatiale de seulement 320 x 40 km, à comparer avec la résolution moyenne de 60 x 30 km de SCIAMACHY. En outre, ce dernier observe l’atmosphère sous deux angles différents – vers le bas, en visée au « nadir » tout en faisant des observations de « limbe » dans la direction de vol – et dispose d’une largeur de spectre nettement supérieure à celle de son prédécesseur.

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 ci-dessus.

« 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.

Cette carte donne une moyenne établie à partir de toutes les données relevées sur une période de 18 mois. Ceci a pour effet de réduire les variations saisonnières de combustion de la biomasse ainsi que celles qui sont dues aux modifications de l’activité humaine selon les périodes de l’année ».

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 cartes du dioxyde d’azote présentées ici ont été établies à partir de données acquises au nadir : alors que le NO₂ change considérablement d’un endroit à l’autre de la troposphère, il reste uniformément réparti dans la haute atmosphère, la stratosphère. Donc, les niveaux de dioxyde d’azote mesurés au-dessus des zones les plus isolées du Pacifique ont servi à définir une colonne de référence pour le dioxyde d’azote stratosphérique, ces valeurs étant soustraites des données mondiales pour déterminer les résultats des colonnes verticales troposphériques.

« 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 ».

A propos de SCIAMACHY

SCIAMACHY est un spectromètre qui cartographie l’air sur une très large plage de longueurs d’ondes, ce qui permet la détection des gaz rares, de l’ozone et des gaz connexes, ainsi que des nuages et des particules de poussière à travers toute l’atmosphère. Il fonctionne par mesure du rayonnement solaire, transmis, réfléchi et diffusé par l’atmosphère ou la surface terrestre sur les plages de longueur d’onde de l’ultraviolet, du visible et du proche infrarouge. Avec une fauchée de 960 km, il balaye la totalité de la planète tous les six jours.

Cet instrument polyvalent est une contribution nationale à la mission Envisat de l’ESA. Il a été financé par le gouvernement allemand par le biais du Centre aérospatial allemand (DLR), par le gouvernement des Pays-Bas au travers de l’Agence néerlandaise pour les programmes aérospatiaux (NIVR) ainsi que par le gouvernement belge par l’intermédiaire du BIRA-IASB.

John Burrows de l’Institut de physique de l’environnement de l’Université de Brême a été le concepteur d’origine de SCIAMACHY, et il est maintenant le Directeur de recherches de ce programme. SCIAMACHY fait partie de la famille des spectromètres atmosphériques qui comporte aussi GOME, embarqué sur ERS-2, et le futur instrument GOME-2 qui sera lancé l’année prochaine dans le cadre de la première mission MetOp.