Production photochimique de l’ozone troposphérique 

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Devenir des NOx à l’issue de la photochimie

Lors d’un pic de pollution photochimique, l’excès de NOx favorise la création d’espèces réservoirs (notées NOz). Celles-ci ne participent pas à la formation d’ozone tant qu’elles ne sont pas reconverties en NOx. De jour, on retrouve principalement l’acide nitrique, le réactif OH étant une espèce diurne : NO2 + OH +M −−! HNO3 +M (1.29)
Le dépôt humide et le piégeage par l’aérosol sont des puits importants pour cette espèce. L’acide nitrique possède donc une courte durée de vie dans la couche limite, où l’aérosol est concentré.
Ces processus n’aboutissant pas à la libération de NOx a posteriori, à l’inverse de la destruction photochimique, ils éliminent les NOx de façon irréversible.
En revanche, le nitrate de péroxyacétyle (PAN) est l’espèce réservoir la plus abondante en haute troposphère. Il n’est pas propice au dépôt, et réagit peu avec OH. Il est généré au cours de la décomposition des hydrocarbures via la réaction suivante : CH3C(O)O2 + NO2 +M −−! PAN +M (1.30)
A 25 C, sa durée de vie face à la thermolyse 1 est d’une heure seulement. Dans cette condition, la réaction 1.30 est réversible. En dessous des 10 C, la thermolyse est un puits négligeable, permettant au PAN son transport jusqu’en haute troposphère. A ces altitudes de basse température, la photolyse devient le principal puits chimique, lui conférant une durée de vie de plusieurs mois. Elle entraîne la libération de NOx en altitude, de façon modérée. Bien qu’il soit généré en quantités semblables par rapport aux autres nitrates organiques, le PAN est, de loin, le réservoir de NOx le plus abondant en haute troposphère. Il est aussi détruit s’il est ramené aux basses altitudes au cours d’une subsidence, la thermolyse redevenant un puits majeur.
Il est représenté en figure 1.9, en moyennes saisonnières et aux moyennes latitudes de l’hémisphère
Nord. Bien que sa production se concentre autour des 90 W (côte est de l’Amérique du Nord) et des 120 E (moitié nord du littoral chinois, avec la Mandchourie et la péninsule coréenne), il est estimé plus abondant sur l’ensemble des longitudes en haute et moyenne troposphère, où sa durée de vie est plus longue.

Un régime photochimique variable suivant l’altitude

Les NOx jouent un rôle particulier dans la production d’ozone, dans le sens où leur courte durée de vie ( 6 h) résulte en des quantités plus grandes en couche limite atmosphérique, où ils sont émis en majorité. Dans cette couche, on rencontre quelquefois un régime saturé en NOx (en référence à la figure 1.8) dans les zones urbaines et près des feux de biomasse. Dans la troposphère libre, en revanche, et davantage en haute troposphère, le régime de production d’ozone est limité en NOx. C’est pourquoi les éclairs et le transport aérien, seuls émetteurs en altitude, ont un impact plus important sur la production d’ozone, relativement à la quantité de NOx émise.

Secteurs d’émission des précurseurs

Les émissions anthropiques de précurseurs d’ozone regroupent la majorité des processus de combustion. On y retrouve la consommation des carburants fossiles par l’industrie et le transport, et la combustion de biomasse, qu’elle se fasse au travers d’un usage agricole ou domestique (chauffage, écobuage). Dans le même type de processus, mais considérés comme étant de cause naturelle, on dénote les feux de forêt et de savane. Le monoxyde de carbone, précurseur principal de l’ozone, ainsi que plusieurs hydrocarbures (dont les COV) sont émis à l’issue de combustions incomplètes, lesquelles accompagnent systématiquement toute combustion.

L’UTLS, sous l’influence des deux couches

Comme l’indique son nom, l’UTLS (Upper Troposphere – Lower Stratosphere) est une couche à l’interface entre troposphère et stratosphère. Sa structure thermique se décrit généralement par une stabilité statique faible dans la haute troposphère (UT), faisant un bond au niveau de la tropopause dynamique puis s’accroissant progressivement avec l’altitude à partir de la basse stratosphère (LS). La tropopause est donc la surface de référence sur laquelle se base la délimitation de l’UTLS, séparant une zone inférieure instable d’une zone supérieure transitoire, de forte stabilité statique. La figure 1.15 en illustre plusieurs processus caractéristiques, dans les différents domaines de latitudes.

Importance de l’UTLS pour le bilan radiatif troposphérique

Les études sur l’UTLS se justifient par la sensibilité du climat de surface à la composition chimique de cette couche. Il s’agit de l’un des résultats clés de l’étude de Riese et al. (2012), illustré en figure 1.16.

Processus dynamiques, impacts sur la composition chimique

Une variété de processus atmosphériques exercent un contrôle sur la chimie dans l’UTLS. La convection turbulente permet l’apport en haute troposphère des espèces à durée de vie relativement longue depuis la couche limite.
Quant à la convection profonde, des espèces de plus courte durée de vie peuvent, par son biais, atteindre l’UT (e.g. Oram et al., 2017, concernant les VSLS) à l’instar des masses d’air de surface, relativement pauvres en ozone. Comme nous l’avons expliqué précédemment, la convection profonde est plus intense et plus fréquente dans les tropiques, mais aussi dans les subtropiques lors des moussons. Par son biais, une fraction des polluants de surface s’accumulent dans l’UT, dominée par un anticyclone caractéristique d’une mousson d’été, et peuvent de ce fait en augmenter les concentrations en ozone (e.g. Barret et al., 2016, concernant la mousson d’été asiatique). Dans un deuxième temps, la convection profonde peut également impacter la composition chimique de la LS (Park et al., 2008) en générant des overshoots et des ondes de gravité, ainsi qu’un mélange de plus fine échelle par turbulence. Bien que les overshoots au-dessus des zones continentales constituent un facteur d’échange influent pour la composition chimique de la LS tropicale (Ricaud et al., 2007), l’impact des deux autres facteurs sur la formation de cirrus dans la TTL ont fait l’objet d’une thèse récemment publiée (Podglajen, 2017). L’impact radiatif des cirrus se répercute sur les échanges à travers la tropopause dans cette région (Jensen et al., 2011). D’autre part, des masses d’air extrêmement pauvres en ozone, typiques de la couche limite atmosphérique au-dessus de l’océan Pacifique, sont entraînées dans les branches ascendantes de la circulation deWalker. Leur faible teneur en ozone est notamment mise à profit dans la campagne aéroportée POSIDON 4, car elle permet de distinguer les cirrus formés par convection profonde (20 ppb seulement) de ceux formés par le trafic aérien. Ces masses d’air ascendantes ne sont le siège que d’une faible production de radicaux OH, prolongeant ainsi la durée de vie des espèces émises en surface, alors accumulées dans l’UT tropicale.
Cette circulation favorise ainsi l’injection d’espèces polluantes dans la stratosphère (Rex et al., 2014).
Par ailleurs, le rôle que jouent les cellules de Walker dans la composition chimique de l’UTLS ne se limite pas au transport, car elles modulent également certaines sources d’émissions. Comme le montre le schéma en figure 1.17, elles contrôlent le climat tropical, divisant le cycle météorologique annuel en saisons sèches et saisons humides (ou saisons des pluies) : celles-ci minimisent l’occurrence des feux de végétation, celles-là la maximisent. Ainsi, l’apport des produits de la combustion de biomasse en UT (voire en LS) s’élève à son maximum lorsque la saison humide commence, c’est-à-dire lorsque les feux de végétation sont toujours actifs et qu’en même temps, la convection profonde se met en place (Livesey et al., 2013). C’est aussi par ce contrôle sur les précipitations que les événements El-Niño extrêmes, provoquant des saisons anormalement sèches à l’ouest du Pacifique, favorisent les feux de biomasse sur le Continent Maritime. De la même façon, les événements La-Niña extrêmes favorisent les feux de forêt en Amérique du Sud.

L’infrastructure de recherche IAGOS

IAGOS est une infrastructure de recherche visant à produire continûment des données in situ dans la troposphère et dans l’UTLS, en y sondant la composition chimique et les propriétés thermodynamiques de l’air. Ces mesures s’effectuent de façon automatique sur des avions commerciaux.
Leurs altitudes de croisière (entre 9 et 12 km) permettent un échantillonnage intensif dans l’UTLS. Bien que leur gamme d’altitude soit limitée par rapport à celle des avions de recherche et ne permette donc pas l’étude de la LMS (lowermost stratosphere, illustrée dans la figure 1.15) sur toute sa hauteur, la fréquence des vols commerciaux est suffisamment soutenue pour pouvoir établir des statistiques robustes sur les concentrations en espèces chimiques dans plusieurs régions du globe. La diversité de leurs destinations offre la possibilité de dresser des caractéristiques régionales sur la quasi-totalité des moyennes latitudes de l’hémisphère Nord.
Les avions du secteur Pacifique ont été équipés plus récemment (depuis juillet 2012) et la base de données y est donc moins dense. Enfin, la période d’observations qui a débuté en août 1994 permet, à présent, de calculer des tendances sur des échelles de temps décennales.

Instrumentation de la flotte IAGOS

Les instruments sont répartis en plusieurs ensembles, régulièrement désignés par le terme anglais de Package. Le Package 1, sur lequel cette thèse se base, est présent sur tous les avions équipés. Il regroupe les analyseurs d’ozone depuis août 1994 (début des observations), de CO depuis décembre 2001, ainsi que le système d’acquisition, lui-même connecté aux capteurs de température et d’humidité (fournissant ainsi les données de vapeur d’eau depuis 1994), et un instrument mesurant la taille et la densité en nombre des particules nuageuses depuis la transition MOZAIC–IAGOS. Depuis juillet 2017, huit avions en sont équipés. Le Package 2, dont le concept a été introduit pendant cette transition, consiste en un choix (individuellement selon l’avion concerné) entre quatre options, à savoir : NOy, NOx, taille et distribution des particules fines, ou gaz à effet de serre (principalement CO2 et CH4). Comme l’illustre la figure 2.1, un objectif d’atteindre une flotte de vingt avions a été fixé pour 2025. Il est prévu que chaque option du Package 2 soit présente sur un quart des avions équipés. Les observations IAGOS sont basées sur des instruments thermiques pour la vapeur d’eau, optiques pour l’O3 et le CO. Les dispositifs optiques mesurent l’absorption d’un échantillon de l’air ambiant à différentes longueurs d’ondes. Des mesures auxiliaires de température et de pression permettent de déduire automatiquement un rapport de mélange.
Concernant l’ozone, il s’agit d’un instrument à absorption UV à double colonne (Thermo Scientific, modèle 49-103 ; Thouret et al., 1998). Le coefficient d’absorption à 253.7 nm est mesuré à travers un échantillon d’air ambiant, et comparé à celui d’un échantillon d’air issu d’un épurateur en ozone. En termes de rapport de mélange, l’appareil présente une erreur de ±2 ppb liée au bruit instrumental, une erreur de ±2 % liée à la calibration, une limite de détection de 2 ppb et un temps de réponse de 4 secondes.
Concernant le CO, on utilise un instrument à absorption infrarouge à 4.67 mm (version améliorée du modèle 48CTL, Thermo Environmental Instruments ; Nédélec et al., 2003). L’appareil présente une erreur de ±5 ppb liée au bruit instrumental, une erreur de ±5 % liée à la calibration, une limite de détection de 10 ppb et un temps de réponse de 30 secondes (Nédélec et al., 2015).
Les deux appareils effectuent une mesure toutes les 4 secondes. Avec une vitesse de croisière de 250 m.s−1, il s’agit d’une mesure tous les kilomètres. A partir du temps de réponse des deux instruments, la résolution horizontale est d’1 km pour l’ozone et de 7.5 km pour le CO. Lors des phases de montée et de descente, la vitesse verticale maximale de 15 m.s−1 entraîne une résolution verticale majorée à 50 et à 450 mètres, respectivement.

Place de IAGOS dans les programmes de recherches internationaux

Plusieurs programmes de recherches sont apparus en réponse aux principales thématiques environnementales. Créé en 1980, WCRP3 a pour rôle de faciliter l’analyse et la prévision de la variabilité et des changements climatiques à long terme. Ses deux objectifs principaux résident dans la détermination de la prévisibilité du climat et dans l’impact des activités humaines sur ce dernier. Il comprend à présent 4 projets centraux dont SPARC4 qui, créé en 1992, a pour rôle majeur de faciliter la coopération internationale des activités de recherches sur la façon dont les processus physiques et chimiques interagissent avec le climat et avec son changement. SPARC présente 15 activités sur des thèmes spécifiques, notamment sur la QBO (QBOi), sur le système de la mousson asiatique (ACAM), sur l’intercomparaison des réanalyses (S-RIP) et sur l’intercomparaison de modèles de climat (CCMI). D’autres activités sont émergentes, dont OCTAV–UTLS (Observed Composition Trends And Variability in the UTLS). Celle-ci répond au besoin de caractériser les biais entre les observations des différents instruments basés sur satellites, atteignant généralement leur maximum dans l’UTLS. Différents jeux de données y sont mis à contribution dans une optique d’intercomparaison, parmi lesquels IAGOS présente un échantillonnage à la fois dense et précis aux altitudes ciblées.
Mis en place en 1990, le projet IGAC 5 est spécifique à la chimie atmosphérique, parmi les composantes d’IGBP 6, dont la création en 1986 répondait à la nécessité d’une organisation mettant en jeu la compréhension des mécanismes à l’origine du changement climatique, et la génération d’informations utiles aux gouvernements pour adapter leur politique à ce nouveau contexte.

Utilisation des données IAGOS dans la recherche scientifique

A présent, la base de données IAGOS permet l’établissement d’une climatologie et de calculs de tendances sur le long terme (de la dizaine à la vingtaine d’années) de l’ozone, du CO et de la vapeur d’eau en haute troposphère et en basse stratosphère, principalement aux moyennes latitudes de l’hémisphère Nord. Comme le montre la figure 2.4, elles servent aussi de référence pour les études visant à évaluer la précision des mesures basées sur satellites de la composition chimique de l’UTLS, ainsi que la capacité des modèles à la reproduire (e.g. Gaudel et al., 2015b). Elles représentent les seules mesures in situ au-dessus de plusieurs régions, notamment des océans. En outre, étant donné qu’elles couvrent une période relativement longue ainsi qu’une aire géographique importante, elles fournissent à des campagnes de mesures (de plus courte durée, et plus locales) des estimations de concentrations de fond et de moyennes climatologiques.
Plusieurs études ont été réalisées à partir de cette base de données, une majeure partie étant référencées dans Petzold et al. (2015). Elle a notamment permis des études sur l’impact des éclairs sur l’ozone dans l’UTLS (e.g. Gressent et al., 2014), sur le transport des émissions de feux de biomasse au-dessus du Pacifique (Clark et al., 2015) et sur l’impact des saisons de feux de biomasse en Afrique Equatoriale et en Afrique de l’Ouest sur la distribution saisonnière de l’ozone dans la troposphère (e.g. Sauvage et al., 2005). Des caractéristiques à long terme ont pu être étudiées à partir de profils verticaux près d’aéroports, dont des cycles saisonniers (Zbinden et al., 2013) et des tendances (Petetin et al., 2016) en ozone et monoxyde de carbone. Dans le  cadre des données de croisière, Petzold et al. (2017) ont présenté une climatologie de la vapeur d’eau (juillet 2014–octobre 2015) et Berkes et al. (2017) une tendance de la température de l’air Plus proche du cadre de cette thèse, une climatologie de l’ozone et ses tendances ont été présentées dans l’étude de Thouret et al. (2006) sur la période 1994–2003, lorsque les données étaient principalement concentrées sur le secteur Atlantique. En référant les coordonnées verticales à la tropopause dynamique de 2 PVU, il a été possible de différencier les mesures en UT, autour de la tropopause et dans la LS. Précisons que, dans le cadre des données IAGOS qui ne dépassent pas les 12 km d’altitude, la LS désignée ici est généralement plus basse que dans les autres jeux de données. L’étude de Thouret et al. (2006) a pu mettre en avant des tendances significatives en ozone dans l’UT et la LS d’au-dessus de l’est des Etats-Unis, du nord de l’océan Atlantique et de l’Europe de l’Ouest (+1 %.an−1), avec une forte anomalie positive en 1998–1999, en lien avec la NAO (North Atlantic Oscillation) dans le cas de l’UT et le NAM (Northern Annular Mode) pour la LS. Avec une couverture spatiale plus grande, la base de données actuelle a permis, dans le cadre de ma thèse, d’étendre cette étude jusqu’à l’ouest de l’Amérique du Nord, et jusqu’au nord-est de l’Asie. Elle dispose également de dix années d’observations supplémentaires, qui permettront d’évaluer la représentativité des tendances de 1994 à 2003 dans les trois régions citées précédemment. En outre, 12 années de mesures de CO permettent de mieux interpréter les résultats sur l’ozone en apportant une information supplémentaire sur l’origine des masses d’air échantillonnées.

Les simulations CCMI et le modèle MOCAGE

Le premier volet de cette thèse s’appuie sur des climatologies et tendances calculées depuis la série de données IAGOS, étendue sur une vingtaine d’années. Une meilleure compréhension des caractéristiques observées nécessite l’analyse de simulations sur une durée similaire. C’est le type de simulations produites dans le cadre de l’exercice CCMI, avec l’objectif d’intercomparer des modèles sur des critères climatologiques. Elles ont déjà été réalisées et sont actuellement disponibles. Celles-ci étant relativement longues, une comparaison sur un pas de temps horaire,même journalier, serait trop coûteuse en mémoire et poserait problème lors de l’archivage des données. Pour les variables en trois dimensions, c’est une résolution mensuelle qui est utilisée dans CCMI.
L’objectif général du travail de thèse pour le volet modélisation est d’évaluer la capacité de la simulation choisie à reproduire les caractéristiques de l’UTLS montrées par IAGOS. Comme il s’agit de critères aux échelles de temps longues (climatologies et tendances quasi bidécennales) sur le climat passé récent, la simulation REF-C1SD faite dans le cadre de l’exercice CCMI (explicitée plus bas) est la plus apte à répondre à la problématique. Ce travail a été réalisé sur la base du modèle MOCAGE, développé au CNRM7, et participant à CCMI. Notre étude vise, dans un premier temps, à développer une méthode de comparaison adaptée sur des données de modèle mensuelles, là où les comparaisons en temps réel (vol par vol) seraient trop coûteuses. Une fois testée avec MOCAGE, celle-ci pourrait être utilisée pour d’autres modèles. Cette thèse s’inscrit donc, outre l’évaluation de la simulation REF-C1SD du modèle MOCAGE, dans la mise en place d’un outil applicable par l’ensemble des participants de CCMI.

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Table des matières

Introduction
1 Ozone et processus physico-chimiques dans l’atmosphère 
1.1 Structure de l’atmosphère
1.1.1 Structure thermique
1.1.1.1 De l’ionosphère à la stratopause
1.1.1.2 Stratosphère et rayonnement
1.1.1.3 Troposphère et convection
1.1.2 Structure dynamique
1.1.2.1 Circulation troposphérique
1.1.2.2 Circulation stratosphérique
1.1.2.3 Interface et barrière dynamique : la tropopause
1.1.2.3.a Tropopauses thermiques
1.1.2.3.b Tropopause dynamique
1.1.2.3.c Tropopause chimique
1.2 L’ozone dans l’atmosphère
1.2.1 L’ozone stratosphérique
1.2.1.1 Cycle de Chapman
1.2.1.2 Cycles catalytiques : HOx, NOx et Clx/Brx
1.2.2 L’ozone troposphérique
1.2.2.1 Production photochimique de l’ozone troposphérique
1.2.2.2 Destruction photochimique de l’ozone
1.2.2.3 Devenir des NOx à l’issue de la photochimie
1.2.2.4 Un régime photochimique variable suivant l’altitude
1.2.2.5 Secteurs d’émission des précurseurs
1.3 L’UTLS, sous l’influence des deux couches
1.3.1 Importance de l’UTLS pour le bilan radiatif troposphérique
1.3.2 Processus dynamiques, impacts sur la composition chimique
1.3.3 Ozone, tendances observées
2 Outils à disposition & méthodologie 
2.1 L’infrastructure de recherche IAGOS
2.1.1 Introduction
2.1.2 Historique
2.1.3 Instrumentation de la flotte IAGOS
2.1.4 Qualité des données
2.1.5 Densité de la base de données
2.1.6 Place de IAGOS dans les programmes de recherches internationaux
2.1.7 Utilisation des données IAGOS dans la recherche scientifique
2.2 Les simulations CCMI et le modèle MOCAGE
2.2.1 La place des modèles dans les sciences de l’atmosphère
2.2.2 L’exercice CCMI et le choix des simulations
2.2.3 Description de MOCAGE
2.2.3.1 Transport
2.2.3.2 Chimie
2.2.3.3 Dépôts
2.2.3.3.a Dépôt sec
2.2.3.3.b Dépôts humides
2.2.3.4 Emissions
2.2.3.4.a Emissions dynamiques
2.2.3.4.b Cadastres d’émissions
2.2.3.5 Géométrie
3 Climatologies et tendances observées 
3.1 Résumé de l’article
3.2 Article
3.2.1 Abstract
3.2.2 Introduction
3.2.3 Data and methodology
3.2.3.1 IAGOS data set
3.2.3.2 Methodology
3.2.3.2.a Definition for the upper troposphere and the lower stratosphere
3.2.3.2.b IAGOS data analysis
3.2.4 Results
3.2.4.1 Horizontal distributions of O3 and CO
3.2.4.2 Regional seasonal cycler
3.2.4.2.a Northeast Asia, northwest America, and Siberia
3.2.4.2.b The Western Mediterranean basin and the Middle East
3.2.4.3 Trends : comparison and characterization
3.2.4.3.a Trends in O3
3.2.4.3.b Trends in CO
3.2.5 Summary and conclusions
3.2.6 Appendix
3.2.6.1 Horizontal distributions : O3/CO ratio
3.2.6.2 Time series : monthly and yearly means
3.2.6.3 Monthly anomalies
3.2.6.4 Tables of trends
4 Analyse des simulations CCMI de MOCAGE 
4.1 Redistribution des observations sur la grille du modèle
4.2 Comparaison IAGOS – MOCAGE
4.2.1 Cartes de climatologie en O3 et CO
4.2.2 Profils verticaux régionaux
4.2.3 Etude de l’UT / la LS
4.2.3.1 Séparation UT/LS
4.2.3.2 Comparaison IAGOS–HR et IAGOS–DM
4.2.3.2.a Cycles saisonniers
4.2.3.2.b Séries temporelles
4.2.3.3 Comparaison IAGOS–DM et simulations
4.2.3.3.a Cycles saisonniers
4.2.3.3.b Evolution des émissions de surface
4.2.3.3.c Séries temporelles
4.3 Conclusion sur la méthode
Conclusions et perspectives 
Appendices 
A Climatologies saisonnières IAGOS–DM et MOCAGE–M
B Profils verticaux saisonniers IAGOS–DM et MOCAGE–M

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