Rapport d'Activité OHP : 1995
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Rapport d'activité de la station de Géophysique

La Station Géophysique de l'Observatoire de Haute-Provence fait partie du premier groupe des services d'observation qui ont été reconnus par la CSOA (Commission Spécialisée Océan-Atmosphère), cette reconnaissance prenant effet pour l'année 1995. Au cours de cette année, les efforts ont été poursuivis aussi bien pour améliorer ou valider l'instrumentation déployée dans le cadre du réseau international NDSC (Network for the Detection of Stratospheric Change) que pour assurer de nouveaux développements sur l'appareillage qui ne ressort pas directement de ce réseau. Ont été mis en service les chaînes Raman pour étendre vers le bas les profils d'ozone et de température en présence d'aérosols, le doublement de l'échantillonnage spectral du SAOZ, la modernisation et l'automatisation du radar ST (Stratosphère-Troposphère), l'élimination du bruit parasite sur les mesures de vapeur d'eau par lidar, et l'évaluation de l'effet des aérosols sur la mesure de vent par lidar. Il faut également noter deux opérations de jouvence, la plus importante concerne le lidar "ozone stratosphère" avec le remplacement des cavités de l'oscillateur et de l'amplificateur et du thyratron du laser Exciplexe, la seconde a porté sur le remplacement du micro-ordinateur assurant l'acquisition de l'expérience ballon. Enfin, les différents lidars (température, ozone, vent, vapeur d'eau) ont été interfacés pour permettre un fonctionnement synchrone qui élimine les parasitages lumineux et électriques mutuels.

Outre le suivi des variations à long terme des différents paramètres mesurés qui représente la tâche de fond de la Station Géophysique de l'OHP, les mesures obtenues cette année ont joué un rôle important lors de la campagne polaire SESAME du fait de l'approche inhabituelle du vortex polaire au dessus de l'OHP. Les instruments de la Station Géophysique ont également joué leur rôle de référence avec l'utilisation des lidars pour la validation d'UARS ou lors de l'intercomparaison des instruments Dobson et SAOZ. Cette activité devrait encore se renforcer dans les prochaines années avec le lancement dans l'espace d'un certain nombre d'expériences dédiées à la stratosphère.

Bilan par instrument

Une approche globale de l'activité de la station peut se faire par le nombre de nuits -ou de jours suivant l'instrument- d'observation pendant l'année. Leur nombre est donné dans le tableau ci-dessous en terme de mesures brutes n'ayant pas encore toutes fait l'objet d'une validation.

Nombre de journées d'observation en 1995


I. Lidar Température

Au cours de l'année 1995 le lidar Rayleigh de l'OHP a continué à fournir des profils de densité et de température de 30 à 90 km à un rythme de 10 à 15 nuits par mois.

L'insertion dans le réseau NDSC a entraîné un certain nombre de campagnes de comparaison. La première concerne le déploiement de la station mobile du NASA Goddard Space Fligh Center à l'OHP en été 1992. La seconde initiative concerne une comparaison de cinq lidars Rayleigh dont celui de l'OHP, placés en cinq positions géographiques différentes, avec l'analyse du NMC (National Meteorological Center) pris comme référence pour assurer un transfert géographique.

Les activités de validation satellitaires se sont poursuivies avec des comparaisons avec les différentes expériences mesurant la température à bord du satellite UARS ainsi qu'avec l'expérience de radio-occultation GPS-MET. Ces activités se développeront au cours des années à venir durant lesquelles plusieurs expériences mesurant la température seront mises en orbite (ILAS sur ADEOS en 1996, ODIN en 1997, GOMOS sur ENVISAT en 1999).

Les principaux résultats géophysiques obtenus en 1995 sont rappelés ci-dessous:


II. Lidar Ozone stratosphérique

La surveillance régulière de l'ozone stratosphérique par lidar s'est poursuivie à l'OHP conjointement avec les sondes ballon et les spectromètres Dobson et Umkehr, permettant de poursuivre les travaux sur la climatologie de l'ozone à moyenne latitude. Le lidar de l'OHP a également participé à la campagne polaire SESAME (Second European Stratospheric Arctic Mid-latitude Experiment). Des périodes successives de diminutions importantes d'ozone ont été observées jusqu'à l'OHP pendant la fin de l'hiver, dues à un déplacement du bord du vortex polaire jusqu'en Europe centrale. Pendant la période du 25 au 28 Janvier, cette diminution a été particulièrement intense jusqu'à atteindre une réduction de 30% du rapport de mélange à 35 km à l'OHP. Une étude statistique a été entreprise pour évaluer la variabilité de l'ozone à moyenne latitude liée aux transports méridiens et aux déplacements du vortex. Cette étude basée sur la reconstruction systématique des trajectoires des masses d'air passant à la verticale de l'OHP pour en déterminer leur origine constitue l'une des composante du travail de thèse de Marielle Guirlet.

Au plan instrumental, la multiplication des chaînes d'acquisition et la mise en place des voies Raman a permis l'acquisition simultanée des signaux provenant des différentes gammes d'altitude pour construire un profil de 20 à 45 km avec une plus grande homogénéité verticale et une sensibilité aux aérosols volcaniques minimum. Le laser Exciplexe qui a fait l'objet d'une opération de jouvence importante (consistant au remplacement des cavités et du thyratron) devrait permettre une plus grande fiabilité de l'instrument. Les mesures lidar obtenues pendant la campagne SESAME ont également été comparées avec celles fournies par le radiomètre micro-onde de l'université de Bordeaux.


III. Lidar Vent

En 1995 les campagnes de mesures du lidar vent se sont intensifiées. Une liaison informatique avec les télescopes astronomiques a été implantée pour permettre l'arrêt des émissions laser susceptibles de polluer la région de l'atmosphère observée. Cette fonctionnalité sera également étendue aux autres lidar début 1996.

Les observations faites à l'aide du lidar vent ont montré qu'il était possible d'accéder aux structures fines associées aux déplacements des masses d'air. Une étude du transport de l'ozone à meso-échelle dans la basse stratosphère a été initiée en couplant ces mesures avec celles du lidar ozone et température. Cette étude constitue le travail de thèse d'Albert Herzog.

Cet instrument insensible aux aérosols stratosphériques a été évalué pour permettre d'étendre les mesures de vent dans la basse stratosphère en dessous de 15 km où les cirrus peuvent perturber la mesure.


IV. Sondages ballons

La station de mesures par sondes ECC embarquées sous ballons a permis d'effectuer plus de 50 sondages en 95. Un problème récurrent depuis la mise en place du système de mesures par sondes ECC réside dans le niveau des colonnes totales d'ozone qui est plus faible que celui mesuré par le Dobson de l'OHP. Le facteur correctif (Dobson/ECC) est en moyenne de 1,2 alors qu'il devrait être voisin de 1. Il semble établi que ceci est dû essentiellement à une perte d'efficacité dans la stratosphère (fonctionnement de la pompe, qualité de la solution, ...). Les mesures troposphériques ont été comparées à la fois au lidar de l'OHP (11 coïncidences de moins de 2 heures) et aux autres mesures d'ozone effectuées en Europe (variation saisonnière). Ces comparaisons confirment la bonne qualité des mesures troposphériques. Pour clarifier le comportement des sondes à basse pression dans la stratosphère il est prévu de participer en Mars 96 à une comparaison de sondes ozone dans une chambre de simulation des conditions atmosphériques au KFA de Jülich.

La base de mesures d'ozone troposphérique par ballons sondes (sondes Brewer Mast de 1984 à 1991, ECC depuis 1991) a été utilisée conjointement avec celle de la station de Biscarosse gérée de 1976 à 1983 par Météo France (sondes Brewer Mast) pour d'une part, essayer de déduire une tendance décennale sur l'évolution de l'ozone en Europe du Sud, et d'autre part d'obtenir une statistique des foliations de tropopause aux moyennes latitudes en vue d'améliorer les estimations des flux d'ozone entre la stratosphère et la troposphère.

Dans la basse stratosphère les mesures d'ozone à partir des sondages ballon de l'OHP ont été utilisées dans la campagne MATCH (SESAME). On obtient une mesure d'ozone dans une masse d'air échantillonnée précédemment par un sondage dans le vortex. Le suivi de cette masse d'air par plusieurs stations disposées le long de sa trajectoire a pour objet de comprendre son évolution et les transformations chimiques qui s'y produisent.


V. Lidar Ozone troposphérique

Ce système est opérationnel depuis 1989 et son mode de fonctionnement est inchangé depuis 1993. Le nombre moyen de profils hebdomadaire est de 2 ou 3, le choix du jour de mesures dépendant des conditions météorologiques (nébulosité faible au-dessus de la station). Les mesures sont doré-navant transférées au Service d'Aéronomie par le réseau RENATER, et analysées par l'équipe scientifique de G. Ancellet avant d'être sauvegardées dans la banque de données NDSC. Le délai moyen de la procédure d'analyse est de 1 mois, et l'incorporation définitive dans la banque de données se fait tous les 6 mois. Cette base de données doit compléter les sondages hebdomadaires effectués par sondes ozone embarquées sous ballon météorologique. Ce système a aussi été utilisé en Mars 95 dans le cadre d'une campagne d'étude des foliations de tropopause organisée au niveau Européen. Il a permis d'obtenir un suivi temporel pendant 48 heures de l'ozone dans un système frontal, en parallèle avec des mesures de vent par le radar ST et de température par le lidar Raman. Pour la première fois, il a été obtenu le suivi à haute résolution temporelle d'un traceur des mouvements de masse d'air et des paramètres dynamiques (vent, température) générant ces mouvements. De plus une station équipée de la même instrumentation au Pays de Galles (Aberystwyth) a permis d'effectuer sur le même système frontal un étude similaire. Ces résultats vont être utilisés dans un modèle de simulation des échanges troposphère-stratosphère. Ces travaux font l'objet du sujet de thèse de Christelle Mancier.


VI. Lidar Vapeur d'eau

La quantification de la vapeur d'eau dans l'atmosphère est un facteur important pour les études climatiques; cependant les mesures fiables de ce constituant font cruellement défaut et les instruments adéquats manquent. Il a été entrepris de développer à l'OHP une mesure de la vapeur d'eau par lidar en utilisant la diffusion Raman. Ce sujet d'étude fait l'objet de la thèse de Vanessa Sherlock. Le travail a consisté, dans une première phase, à éliminer les problèmes de parasites qu'ils soient de nature électrique ou induits par la diffusion Mie à la traversée des nuages par le faisceau laser. Une phase de validation et d'intercomparaison avec d'autres instruments est maintenant possible.


VII. Le radar ST

Depuis 1992, un radar ST (Stratosphère-Troposphère) a été installé à l'OHP devant la Maison Jean Perrin. Ce système de conception ancienne subit régulièrement des améliorations qui permettront à terme une mise en route simplifiée et de meilleures performances. Ce système, fonctionnant par campagne, donne accès aux paramètres dynamiques (vent, stabilité, turbulence). Une bonne connaissance de la physique de la mesure est nécessaire et fait l'objet d'études permanentes. L'instrument fonctionne parfois simultanément avec d'autres instruments du site (Lidar Ozone, Lidar température), et il a participé entre autre, à l'étude d'un cas de foliation de tropopause en Mars 1995.


VIII. Spectromètre SAOZ

L'installation du spectromètre SAOZ à la station géophysique de l'OHP date de juin 1992. Depuis lors, il fonctionne pratiquement sans interruption et mesure deux fois par jour, au crépuscule, les quantités colonnes stratosphériques d'ozone et de NO2, pour l'étude des tendances séculaires des deux constituants. En Juin 1995, l'instrument a été modifié pour doubler l'échantillonnage spectral et par là même augmenter la précision de mesure. De plus, il a participé à plusieurs programmes scientifiques : une intercomparaison d'instruments de mesure d'ozone organisée par l'O.M.M. ; la recherche d'une signature de production de NOx par les orages en collaboration avec l'ONERA ; la campagne européenne SESAME d'étude de la destruction de l'ozone ; la validation de l'instrument satellitaire GOME-ERS2 de l'ESA.

Le SAOZ a été invité par l'Organisation Mondiale de Météorologie à participer à la campagne d'intercomparaison et d'étalonnage des instruments Dobson qui se tenait à Arosa (Suisse) en Juillet - Août 1995 au cours de laquelle il a effectué des mesures tous les jours, matin et soir. La moyenne journalière de SAOZ a été comparée à celle du Dobson #65, référence secondaire itinérante de la NOAA, avec celle du spectrophotomètre Brewer #40 du LKO (Suisse), ainsi qu'aux mesures du Dobson de l'OHP. La différence entre tous les instruments a été trouvée inférieure à 1,1 %.

A la demande de l'ONERA, le programme du SAOZ a été modifié pour effectuer, en dehors des observations crépusculaires, des mesures de colonne de NO2 en dirigeant le pointeur de l'instrument dans la direction des orages. L'expérience qui a été poursuivie en période orageuse durant une semaine au mois d'Août 1994, a montré que l'augmentation de la colonne de NO2 observée pendant un orage était essentiellement le résultat de l'augmentation de la diffusion multiple dans les nuages et non la signature d'une production par les orages.

L'instrument SAOZ a participé également à la campagne SESAME. Les résultats d'observations ont été transmis de façon hebdomadaire à la banque de données de la campagne au NILU en Norvège. Le 25 Janvier 1995, lorsque le vortex polaire est passé au-dessus de l'observatoire, un minimum d'ozone a été observé indiquant une réduction de la colonne verticale dans celui-ci de 33 %, en accord avec les observations des cinq stations arctiques du réseau SAOZ.

Les données du réseau SAOZ ont également été sélectionnées par l'ESA pour la validation de l'instrument GOME-ERS2, placé en orbite en avril 1995. Les données transmises régulièrement à la base de données de GOME depuis juillet 1995, ont permis de mettre en évidence une erreur systématique, dépendante de la hauteur du soleil, dans l'algorithme d'inversion de GOME en cours de modification au centre de traitement du DLR en Allemagne.

En 1996, SAOZ doit participer à un exercice semblable pour la validation de l'instrument ILAS sur le satellite japonais ADEOS prévu pour être mis en orbite au mois d'Août.

Enfin, dans le cadre d'un projet européen, SCUVS-3, une campagne d'évaluation et de comparaisons de spectromètres UV-visible sera organisée à l'OHP au mois de juin 1996. Il est prévu la participation d'une dizaine d'instituts internationaux..


IX. Spectromètre DOBSON

Au cours de l'année 1995 le spectromètre DOBSON a fonctionné chaque fois que les conditions météorologiques étaient favorables, en automatique, au lever et au coucher du soleil pour la détermination des profils verticaux de concentration de l'ozone, et avec l'intervention d'un opérateur, pour les mesures de quantité totale d'ozone à plusieurs reprises dans la journée. Il est encore trop tôt pour faire le bilan des profils de concentration. En ce qui concerne les quantités intégrées d'ozone, malgré quelques pannes, un nombre important de jours de mesures a pu être atteint (231 jours utilisables).

Le spectromètre DOBSON a participé en juillet-août 1995 à une intercomparaison à Arosa. Les résultats des tests sont excellents et montrent qu'aucune correction n'est à apporter aux mesures effectuées par le Dobson de l'OHP.

Compte tenu du fait qu'il n'est plus possible de disposer des mesures du satellite TOMS, il est particulièrement important de pouvoir mettre à la disposition de la communauté des mesures de qualité en plus grand nombre possible.


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Rapport d'activité du service de la Luminescence Atmosphérique


L'observation des variations diurne, saisonnière, latitudinale et à long terme de la température et de la dynamique dans la mésosphère et la thermosphère est mise en oeuvre par le groupe Luminescence Atmosphérique de l'OHP. Le principe des mesures consiste à utiliser les émissions nocturnes pour extraire les informations géophysiques recherchées. Les ondes de gravité jouent un rôle important dans la mésosphère. Elles provoquent à leur passage des variations d'intensité des émissions, de température et du régime dynamique. Ces effets ont permis de les détecter par la mesure des émissions et de la température thermodynamique. Des efforts très importants ont été déployés en 1995 pour détecter leur effet sur la dynamique de la mésosphère. Ces études utilisent des instruments optiques construits par ce groupe et mis en oeuvre soit à l'OHP, soit dans les Terres Australes. L'activité de ces dernières années s'est orientée vers l'interférométrie grâce aux instruments MICADO placé à l'OHP et WINDII à bord du satellite UARS de la NASA.

Les résultats obtenus en 1995 concernent la dynamique, la thermosphère en zone aurorale et la mésosphère en moyenne latitude (étude des marées et mesures corrélées avec WINDII/UARS.


I. Les instruments

Les instruments dont nous utilisons les données ont été décrits dans les rapports d'activité précédents. Ils sont rapidement évoqués ci-dessous.

1- A l'OHP


2- A Dumont d'Urville

Une caméra à grand champ enregistre régulièrement les aurores et un photomètre (TEREZA) mesure la température de la mésosphère.


II. Les programmes et les resultats

1- Observations à hautes latitudes


2- A moyennes latitudes

L'instrument MICADO qui a été construit par le groupe Luminescence, est installé à l'OHP pour effectuer des mesures corrélées avec l'interféromètre WINDII à bord de UARS et pour des études particulières. Les comparaisons entre les mesures du vent effectuées par l'interféromètre MICADO à l'OHP et celles obtenues par WINDII/UARS en orbite, ont permis de montrer un écart systématique d'environ 10 m/s pour chaque composante horizontale du vent neutre. La géométrie de la visée de WINDII a permis ensuite de montrer comment cet écart variait avec la latitude et la longitude pour les deux composantes du vent.

Grâce à la régularité des mesures, les variations saisonnières de l'amplitude et de la phase des composantes méridienne et zonale du vent en région E de la marée semi-diurne ont été étudiées et comparées à celles observées en orbite. Un biais concernant la transition de phase à l'équinoxe d'automne observée depuis le satellite, a pu être ainsi mis en évidence ce qui a évité des erreurs d'interprétation.

Les ondes de gravité jouent un rôle important dans le bilan thermique et la dynamique de la mésosphère à cause de l'énergie et du moment qu'elles y déposent. Leur effet sur la température a été détecté, mais pas encore sur la dynamique. Or, la mesure directe de leur amplitude et de leur période est très importante pour valider les hypothèses concernant les processus physiques de leur création, de leur propagation et de leur déferlement. C'est pourquoi nous avons effectué de nombreuses observations. La certitude de leur détection n'est pas encore totale, mais devient de plus en plus probable. Ce programme sera intensément poursuivi en 1996.


III. Activite instrumentale

Les observations, la maintenance des instruments et le prédépouillement sont effectués à l'OHP ainsi que la formation des hivernants pour les opérations australes.

Le monochromateur destiné à l'observation du spectre atmosphérique nocturne est terminé. En outre, des modifications ont été entreprises de façon à le rendre aussi utilisable en mode diurne afin de préparer un nouveau programme d'étude de la brillance spectrale énergétique au sol du soleil.

La proposition de mesures de la dynamique des neutres dans la calotte polaire a été effectuée dans le cadre des mesures associées avec celle du radar polaire européen. Cette proposition n'est pas encore définitivement acceptée, mais ayant reçu un début de financement par le GDR Plasma-E ainsi que son soutien scientifique, son étude a été poursuivie. Cet instrument utilisera un interféromètre de Michelson et une conception générale proche de MICADO, mais avec une automatisation complète compte tenu de son installation prévue au Spitzberg.



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