Campagne internationale AMMA : succès de la première campagne d'observations

19 avril 2006

Océan Atmosphère

La première campagne d'observations d'AMMA s'est déroulée avec succès de mi-janvier à mi-février. Elle a permis de caractériser les propriétés microphysiques et radiatives des aérosols ainsi que leur dynamique pendant la saison sèche en Afrique de l'ouest. Cette campagne regroupait plusieurs séries d'observations placées sous la responsabilité de scientifiques britanniques, francais, africains et américains, impliquant plus d'une dizaine de laboratoires de différents pays, avec le soutien de la Commission européenne.

Lancé en 2001 par des chercheurs français, le programme AMMA regroupe aujourd'hui plus de 145 structures de recherches européennes, africaines et américaines. Son objectif : mieux connaître les mécanismes de la mousson africaine pour mieux prévoir ses variations et ses répercussions sur le climat local, régional et global mais aussi sur les populations. Pour cela le programme s'appuie sur plusieurs vagues d'observations sur toute l'Afrique de l'Ouest avec, en 2006, une montée en puissance des observations.

Cette première période d'observation intensive d'AMMA était ainsi dédiée à l'étude de l'impact des aérosols sur le bilan radiatif (bilan entre le rayonnement solaire et le rayonnement terrestre émis) en Afrique occidentale, en période sèche, avant le développement de la mousson. L'objectif : comprendre l'effet produit sur le rayonnement par le mélange des aérosols minéraux et carbonés produits en Afrique de l'Ouest et étudier son impact sur la dynamique de la mousson africaine.

La campagne s'est d'abord déroulée de la mi-janvier jusqu'au 2 février 2006 dans la région du Niger, du Bénin et du Nigeria : elle portait sur l'étude des propriétés des particules minérales, des particules produites par les feux, et de leur mélange dans l'atmosphère. Elle s'est poursuivie du 2 au 17 février au-dessus de la région de Dakar-île de Sal afin d'étudier le transport sahélien et l'exportation de poussières au-dessus de l'océan.

D'importants moyens logistiques ont été mis en oeuvre pour le déroulement de cette campagne : observations par satellites, avions de recherche pour des mesures et prélèvements in situ, stations d'observations au sol.

Étudier l'impact des aérosols

Le continent africain est connu pour être la plus grande source, à l'échelle globale, d'aérosols minéraux, mais aussi d'aérosols provenant de feux, souvent liés aux pratiques agricoles. Or ces aérosols affectent de manière significative le bilan radiatif de l'Afrique à l'échelle régionale, et par là même, l'albédo de la planète (fraction de l'énergie solaire qui est réfléchie vers l'espace) et le changement global du climat. Par diffusion et par absorption, les aérosols réduisent le rayonnement solaire transmis aux surfaces terrestre et océanique, chauffant alors localement l'atmosphère et modifiant ainsi la dynamique des courants atmosphériques et le cycle de l'eau lié à la mousson.

Premiers résultats

Si les analyses sont encore en cours, des premiers résultats ont déjà été obtenus. Cette année a connu moins de soulèvements de poussières désertiques que les précédentes, mais plusieurs vols de l'avion britannique Bae 146 ont cependant permis d'analyser les zones de transition entre les régions source de particules minérales et les régions de brûlis. Ces observations ont montré que ces zones de mélange ne sont pas localisées uniquement près de la surface mais également en altitude.

Seules les particules produites par la combustion ont, par ailleurs, été observées à altitude élevée. Les mesures effectuées par avion ont ainsi permis d'identifier, dans la couche située entre 3 et 5 km d'altitude, la présence de fortes concentrations de particules de combustion transportées par la circulation atmosphérique associées à des concentrations élevées de gaz carbonique, et d'ozone. D'autres cas de particules de biomasse âgées, transportées en altitude au-dessus de l'océan, ont également été étudiés durant la deuxième phase d'observation.

La première phase d'AMMA a impliqué des organismes allemands (Université de Munich), britanniques (NERC, UKMO et Université de Leeds), francais (CNES, CNRS, INSU, IRD, Météo France) et italien (CNR), ainsi qu'une dizaine de laboratoires européens.

Le continent africain est connu pour être la plus grande source, à l'échelle globale, d'aérosols minéraux : près de 30 % des poussières minérales en suspension dans l'atmosphère ont comme source le Sahara et les zones désertiques proches ; il est aussi une importante source d'aérosols produits par des feux le plus souvent d'origine agricole.

Dans la région semi-aride du Sahel, où la végétation est beaucoup plus éparse, les étendues désertiques sont une importante source de poussières minérales. En surface, le vent arrache les limons du sol et les transporte verticalement. L'Harmattan et les courants venteux du nord-est contrôlent le transport des poussières des régions arides et semi-arides en Afrique tropicale.

L'augmentation de la teneur en poussières minérales dans l'atmosphère durant les périodes de sécheresse sur le Sahel est clairement établie. Mais la cause de ce phénomène reste inconnue : s'agit-il d'une augmentation des intensités de vents en période de sécheresse sur l'ensemble de la région Sahara/ Sahel et/ou d'une diminution de la végétation ? Ce dernier point est un élément majeur à considérer pour l'évolution des émissions au Sahel où l'activité anthropique ne fait que croître. Cette dernière se traduit par une extension des surfaces cultivées et pâturées dont toutes les mesures montrent qu'elles sont plus sensibles à l'érosion éolienne que des surfaces en végétation naturelle.

La pratique agricole en Afrique de l'Ouest conduit par ailleurs à un développement important des zones de brûlis pendant la saison sèche. Cette pratique suit un cycle annuel bien déterminé, lié au changement saisonnier. C'est aux mois de décembre, janvier et février, pendant la saison sèche, que le taux des émissions d'aérosols dus aux brûlis y atteint son maximum. Ces aérosols sont ensuite transportés par les vents à des altitudes assez élevées et peuvent s'accumuler de façon importante au-dessus du golfe de Guinée.

C'est pendant la saison sèche que l'interaction des poussières minérales et des aérosols provenant des feux, qui peuvent conduire à des effets radiatifs importants, est à son maximum (l'impact radiatif des aérosols dépend de leurs propriétés physico-chimiques et optiques, qui elles mêmes varient fortement avec la taille et la nature des particules).

La compréhension des processus de production des particules d'aérosols, de leur impact radiatif sur le climat, les relations avec la fertilité des sols ou la santé, font l'objet des études qui sont conduites dans le cadre du programme AMMA.

Une des priorités pour les scientifiques est de caractériser la dynamique et les propriétés microphysiques et radiatives des aérosols et d'étudier leur impact à l'échelle régionale. Ils s'intéressent à la fois aux particules « jeunes », près des sources d'émission, mais également aux particules « âgées », en fait le mélange des deux types de particules dont on sait que les propriétés sont différentes d'une particule isolée.

Les propriétés physicochimiques et optiques des aérosols variant fortement avec la taille des particules, les scientifiques ont donc eu recours à une combinaison d'appareils pour en déterminer la taille. De même leur transport horizontal et vertical a été suivi par différentes techniques.Radiométrie infrarouge depuis les satellites, lidar (radar utilisant un laser pour sonder l'atmosphère) collecte au sol ou encore sondes lancées depuis des avions...des moyens importants ont été engagés pour ces mesures.

Effectuées à partir des satellites AQUA et TERRA de la NASA, placés en orbite polaire, et Meteosat Second Generation de EUMETSAT, placé en orbite géostationnaire, les observations spatiales ont permis d'identifier en temps réel les régions de feux, les zones de transport des poussières et les zones nuageuses. Elles permettront dans la phase d'analyse de contribuer à la détermination des propriétés radiatives des aérosols.

L'avion britannique BAe146 a volé 53 heures au-dessus du Niger, pour effectuer des mesures in situ et de télédétection. Il a permis de faire des observations sans précédent en ce qui concerne les aérosols minéraux et de combustion dans les zones d'origine et de mélange. Cet avion disposait d'un équipement spécifique permettant d'analyser la distribution de la taille des particules, la chimie des aérosols, leur absorption, leur croissance hygroscopique, leur quantité totale, le rayonnement et l'irradiation solaire et terrestre. Des mesures météorologiques de température et d'humidité par dropsondes (sondes lancées depuis l'avion), des concentrations gazeuses d'ozone, de NO_x (Oxydes d'azote ), de gaz carbonique, de dioxyde de carbone, et des composés organiques complétaient ce dispositif. Enfin, des prélèvements de particules sur filtre ont été effectués en vue d'analyses détaillées à réaliser en laboratoire.
Un avion ultra léger (ULM ) équipé par le Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement / IPSL (CEA/CNRS), avec le soutien du CNES, a effectué 30 heures de mesures en vol permettant de caractériser la diffusion des aérosols verticalement au-dessus des régions de Niamey et de Banizoumbou, dans le sud du Niger.

Les observations en surface et en altitude, depuis les sites instrumentés européens et africains de Banizoumbou au Niger, Djougou au Bénin, M'Bour au Sénégal, ont été effectuées soit durant la campagne d'observation spéciale d'AMMA, soit de facon continue, comme avec l'ensemble mobile américain développé pour le programme ARM (Atmospheric Radiation Measurements) installé à Niamey (Niger).

Toutes les stations d'observation sont équipées de photomètres solaires identiques et sont également des stations du réseau AERONET/PHOTON (réseau international de mesures permettant de caractériser les propriétés optiques des aérosols sur la colonne atmosphérique), ce qui garantit des mesures d'aérosols et du rayonnement de haute qualité et à haute fréquence. Cet ensemble d'observations effectuées depuis le sol fournit un jeu complet de mesures physico-chimiques et optiques proches de la surface ainsi que des mesures sur la colonne atmosphérique et sur la verticale (mesures par lidar, ceilomètre, radiomètres).

Il comprend : un échantillonnage des particules par taille pour les analyses chimiques et minéralogiques et les mesures de leur répartition par taille ; les mesures des coefficients de dispersion et d'absorption spectrales ; les profils verticaux d'aérosols, de contenus et des propriétés intégrées des colonnes d'air ; ainsi que les flux de rayonnement (bandes spectrales étroites et larges).

D'autres instruments, appartenant aux stations du réseau IDAF (IGAC-DEBITS-AFRICA) ou aux offices météorologiques locaux, ou bien mis en place pour la Période d'Observation Etendue d'AMMA (radiosondes, stations pour la mesure des poussières sahéliennes entre Niamey et Dakar) sont opérationnels de façon continue.

Pendant cette campagne de mesures, des modèles de chimie-climat et de transport de polluants, ainsi que des modèles de trajectoires ont été utilisés afin de prévoir l'apparition d'aérosols. La comparaison des résultats des modèles avec les mesures aéroportées et satellites permettra de caractériser l'impact des aérosols à différentes échelles spatiale et temporelle, de mieux quantifier leurs sources et de mieux analyser les processus de modification des aérosols.

Comparativement aux années précédentes, il y a eu cette année, moins de soulèvement de poussières désertiques.
Les régions de feux, plus turbides, ont été bien documentées par l'avion BAe 146 anglais. Plusieurs vols ont permis d'analyser les zones de transition entre les régions source de particules minérales et les régions de feux. Les analyses des données sont en cours. On peut cependant noter que les premières observations ont déjà montré que ces zones de mélange ne sont pas localisées uniquement près de la surface, mais également en altitude en raison de l'interaction des circulations liées à la discontinuité frontale inter-tropicale (zone étroite où le flux de mousson de basse couche rencontre le flux d'Harmattan , située vers 10°N pendant la saison sèche).
Les mesures au sol ont permis de bien documenter les propriétés microphysiques et radiatives des particules de part et d'autre de la discontinuité frontale intertropicale. Un cas de transport de particules de biomasse issues de la région des feux, et se diluant ensuite lors de son transport vers l'ouest a pu être suivi à l'échelle régionale par le satellite PARASOL. Les mesures aéroportées in situ du BAe 146 permettront par une caractérisation spatiale plus précise des caractéristiques des particules d'aérosol, de renforcer le lien entre observations au sol et observations spatiales.
Les mesures aéroportées ont déjà permis d'identifier, dans la couche située entre 3 et 5 km d'altitude, la présence de fortes concentrations de particules de combustion transportées par la circulation atmosphérique associées à des concentrations élevées de gaz carbonique (400 ppb et plus) et d'ozone (70 ppb et plus). D'autres cas de particules de biomasse âgées, transportées en altitude au-dessus de l'océan, ont également été observés et documentées durant la seconde phase de la campagne.
Les conditions météorologiques particulières rencontrées pendant cette campagne, liées aux déplacements des systèmes dépressionnaires sur le nord de l'Afrique ont conduit à un transport important de particules et de polluants aux latitudes plus élevées dans la troposphère.

Un des points importants de l'analyse à venir va consister à valider les différents paramètres des modèles (intensité et caractéristiques des sources, transport en altitude et mélange) à partir des observations, et à comparer l'impact radiatif prédit et observé à l'échelle régionale.

Une deuxième campagne de mesure est prévue en début de saison des pluies 2006 pour étudier les émissions locales à partir des zones cultivées, notamment lors du passage des lignes de grains.

Pour en savoir plus

Site international d'AMMA