40

L ’appauvrissement de la couche

d’ozone est observé au-des-

sus des latitudes hautes et moyennes.

Il est plus accentué dans les régions

polaires en raison du froid. La des-

truction de la couche d’ozone a été

initialement observée au-dessus

de l’Antarctique. A présent, ce trou

d’ozone se forme à chaque prin-

temps austral (septembre).En 2000,

ce phénomène a été exceptionnel-

lement plus précoce, suscitant bon

nombre d’inquiétudes. Par ailleurs,

la destruction de l’ozone a rapide-

ment évolué au-dessus de l’Arctique

ces dernières années. Dans les lati-

tudes moyennes plus chaudes,cette

destruction est plus lente mais

néanmoins significative. Le Proto-

cole de Montréal, traité interna-

tional signé en 1987, a permis de

réduire considérablement les émis-

sions de substances destructrices

de la couche d’ozone. La concen-

tration des gaz destructeurs de

l’ozone dans la stratosphère est

maximale aujourd’hui. D’ici 50 à

100 ans, elle devrait diminuer len-

tement et atteindre à nouveau les

valeurs initiales à condition qu’il

n’y ait plus de changements atmo-

sphériques.

Durant la dernière décennie, les

programmes européens nationaux

et ceux de la Commission euro-

péenne ont été intégrés à un pro-

gramme européen de coordination

des recherches stratosphériques.

La Commission européenne, les

agences spatiales nationales et les

scientifiques ont pris part à cette

initiative avec enthousiasme. La

coopération entre les programmes

d’une part, et une méthode effi-

cace de coordination de la recherche

scientifique d’autre part, sont des

éléments clés pour mener à bien

cette recherche. Les trois grandes

campagnes européennes sur l’ozone

stratosphérique réalisées à l’aide

de ballons, ont constitué un volet

important de ce programme. La

troisième campagne européenne

d’observation de l’ozone strato-

sphérique (Theseo - Third European

Stratospheric Experiment on Ozone)

u L’intégralité des résultats de la campagne Theseo,

en cours de rédaction*, va apporter une contribution

majeure à la prochaine évaluation scientifique du pro-

tocole de Montréal. Ils aideront à la définition des futures

actions internationales en faveur de la réduction des gaz

destructeurs de l’ozone dans l’atmosphère.

Theseo

Troisième campagne

européenne

d’observation de l’ozone

stratosphériquepar N.R.P. Harris,

Unité de coordination européenne sur l’ozone

C O O P E R A T I O N©

CN

ES 19

99,p

hoto

P.Le

Doa

ré

41

s’est déroulée de 1998 à 2000, fai-

sant suite à la campagne euro-

péenne d’observation de l’ozone

stratosphérique dans les régions

arctiques (Easoe - European Arctic

Stratospheric Ozone Experiment)

de 1991 à 1992, et à la deuxième

campagne européenne d’obser-

vation de l’ozone stratosphérique

dans les régions arctiques et de

latitudes moyennes (Sesame -

Second European Stratospheric Arc-

tic and Mid-latitude Experiment)

de 1994 à 1995. Elles se sont toutes

inscrites dans le cadre plus large

d’un programme européen d’étude

de l’ozone stratosphérique et des

rayonnements UV qui intègre la

recherche en laboratoire, la mise

au point de nouveaux instruments,

le développement de modèles

atmosphériques et des mesures

de terrain.

L’appauvrissement de la couche d’ozone au-dessus de l’Europe est-il préoccupant ?Theseo était une campagne de ter-

rain paneuropéenne financée par

la Commission européenne et de

nombreuses agences spatiales natio-

nales, dont le CNES. Son objectif

visait à étudier les causes de l’ap-

pauvrissement progressif de l’ozone

observé en Europe et dans les régions

de latitudes moyennes au nord,au

cours des 30 dernières années. Ces

études ont été effectuées dans des

conditions stratosphériques très

différentes afin de répondre à des

questions telles que : “Existera-t-il

un trou dans la couche d’ozone au-

dessus de l’Arctique?”,“quelle influence

le changement du climat aura-t-il

sur le rétablissement de la couche

d’ozone au fur et à mesure que dimi-

nueront les concentrations atmo-

sphériques de gaz destructeurs de

l’ozone ?” Cet appauvrissement de

l’ozone au-dessus des régions de

latitudes moyennes est dû à un cer-

tain nombre de processus qui se

produisent à ces latitudes et dans

l’atmosphère voisine. En consé-

quence, l’étude scientifique pour-

suivie ici s’est portée sur quatre

y Pourquoi avoir installé une base de lâcher de bal-

lons à Esrange ?

L’utilisation d’Esrange comme base de ballons remonte à 1974,

quand le CNES a souhaité coopérer avec l’Union Soviétique

pour lancer des ballons depuis le Nord.Initialement c’était une

base de fusées sondes. Sa construction a été décidée en 1963

par l’ESRO,European Space Research Organisation, qui n’était

pas très impliquée dans le commerce de satellites jugé alors

trop cher.L’ESRO a donc commencé par lancer des fusées sondes.

Les sites de Sicile et de Grèce posaient des problèmes de sécu-

rité et n’avaient pas de réel intérêt scientifique. Or en Suède, il

y avait les aurores boréales, un sujet en or pour la recherche.

Le choix s’est donc porté sur Kiruna. Dès le départ, la base lui

a appartenu.L’ESRO a construit les installations et les a gérées

jusqu’en 1972. La première fusée a été lancée le 20 novembre

1966.La première campagne de ballons du CNES,Sambow,sur

les aurores boréales, a débuté huit ans plus tard en 1974, sui-

vie de deux autres campagnes en 1976 et en 1979. A l’époque

les Américains étaient également intéressés par des lâchers

de ballons mais uniquement en été.

y L’intérêt pour la couche d’ozone est donc venu

plus tard ?

C’est une coïncidence.Dans les années soixante,nous ne pen-

sions qu’au phénomène d’aurore boréale.Le problème de l’ap-

pauvrissement de l’ozone est apparu dans les années quatre-

vingt.Il s’est avéré que notre site avait une position géographique

idéale pour mener à bien des recherches sur ce sujet. Autre

coïncidence, nous avons découvert à cette époque la possibi-

lité d’implanter sur la base des antennes de suivi de satellites

en orbite polaire.

y Vous recevez de plus en plus de scientifiques pour

des campagnes ballons à Esrange, est-ce que vous

pensez que cette demande va augmenter dans les

années à venir ou au contraire décroître ?

Je suis très optimiste en ce qui concerne le volet ballons. Celui

des fusées sondes est voué à péricliter.Si l’on considère les pro-

blèmes liés à l’environnement dans le monde entier,plus nous

sommes nombreux, plus nous polluons l’atmosphère, plus

nous devons tenter de contrôler ces phénomènes. Les ballons

représentent un excellent moyen pour y parvenir. Pour le

moment, il n’y a pas d’alternative pour les distances de 20 à

50 km dans la haute atmosphère.

y Si aujourd’hui les centres d’intérêts scientifiques

se déplaçaient de l’Arctique vers les Tropiques, dis-

posez-vous d’un savoir-faire qui pourrait s’exporter ?

A l’avenir peut-être. L’intérêt scientifique ne peut pas se foca-

liser sur un seul site. Les chercheurs souhaitent comprendre

et contrôler ce qui se passe sur l’ensemble de la Terre. Nous

sommes dans un système global.Vous ne pouvez pas séparer

artificiellement les Tropiques des régions subtropicales et arc-

tiques.Déjà certains s’intéressent de près aux Tropiques.Céci-

lia Biarritz,une scientifique américaine de la NOAA,a comme

projet de lancer plusieurs centaines de ballons sur l’ensemble

de la planète durant deux à trois mois.Lorsqu’un ballon tom-

bera, un autre sera immédiatement lancé pour garder une

trace de ce qui se passe dans la stratosphère et ainsi être en

mesure d’obtenir un système d’alerte précoce.

Cette idée est très visionnaire même si aujourd’hui elle n’est

peut-être pas réalisable. La démarche de considérer la Terre

comme une unité est bonne.Dans le monde peu de personnes

savent lâcher des ballons et mener à bien ces missions. Il faut

donc coopérer davantage à l’avenir pour soutenir le travail

des scientifiques. Je pense que les gens doivent apprendre à

être plus souples à l’avenir.

y La communauté scientifique internationale tra-

vaillant sur la couche d’ozone n’est pas extensible,

comment vous situez-vous par rapport au CNES ?

Partenaire ou concurrent ?

Nous avons un accord de coopération avec le CNES qui clari-

fie nos rôles respectifs.Nous sommes complémentaires et non

concurrents. Nous avons toujours besoin de l’aide du CNES

pour le lancer de gros ballons,50 000 m3 et plus.Pour les petits

ballons, nous pouvons opérer seuls. Grâce à cet accord, nous

avons la possibilité désormais d’effectuer des lancements paral-

lèles, simultanément ailleurs dans le monde et à Esrange. En

fusionnant nos équipes, nous disposons d’une bonne straté-

gie pour l’avenir.Le but est que l’Europe soit plus indépendante

des Etats-Unis pour mener à bien ses propres recherches.Aujour-

d’hui, nous sommes dépendants des décisions américaines

notamment pour les licences d’exportation. Ces difficultés ne

transparaissent pas tellement pour les ballons mais surtout

pour les fusées sondes. ■

Suède

Plus de coopérationopérationnelle propos recueillis par Brigitte Thomas

Entre les aurores boréales et la couche d’ozone, Kiruna occupe dans l’Arctique

une position exceptionnelle pour les chercheurs. Jan Englund, directeur de la

base d’Esrange, est optimiste sur le développement futur de l’activité ballon.

Jan Englund

42

C O O P É R A T I O N

régions : la stratosphère inférieure

des régions de latitudes moyennes,

l’interface entre la stratosphère infé-

rieure des latitudes moyennes et

l’atmosphère voisine, le tourbillon

de l’Arctique,les régions de latitudes

tropicales et subtropicales.

La principale phase de la campagne

1998/99 a été consacrée aux régions

de latitudes moyennes.Theseo 2000,

une extension de la campagne The-

seo,a eu pour objectif d’étudier l’hi-

ver 1999/2000 en Arctique, en liai-

son avec la campagne américaine

Solve** (Sage III Ozone Loss and Vali-

dation Experiment).Cette campagne

conjointe Solve-Theseo 2000 a été

la plus grande campagne organisée

jusqu’ici pour l’étude de l’appau-

vrissement de l’ozone. Elle a réuni

plus de 400 scientifiques et personnel

technique de l’Union européenne,

du Canada,de l’Islande,du Japon,de

la Norvège,de la Pologne,de la Rus-

sie, de la Suisse et des Etats-Unis.

Mesurer des nuagesstratosphériques polairesà -80°Pour Theseo, certains scientifiques

ont réalisé des mesures sous bal-

lons, d’autres chercheurs ont uti-

lisé des modèles numériques pour

étudier la stratosphère et interpréter

les observations.Toute une série de

ballons (de petite et grande taille

et de longue durée), transportant

des charges utiles pesant jusqu’à

500 kg, ont été utilisés pour effec-

tuer des mesures à des altitudes

maximales de 35 km.Plus de 45 bal-

lons stratosphériques ont été lâchés

par le CNES depuis ses installations

en France,ainsi que de la base d’Es-

range du SSC en Suède et de la base

Inta en Espagne. D’autres lâchers

de ballons ont été réalisés à partir

des installations d’Andoya/Alomar

dans le nord de la Norvège. Dans ce

programme, Kiruna, avec la base

d’Esrange et son aéroport bien

équipé, est devenu un atout pré-

cieux dans l’arsenal européen pour

la recherche stratosphérique. Les

équipes CNES et SSC (Swedisch Space

Corporation) compétentes dans ce

domaine ont à leur actif plus de

douze ans d’expérience dans le lâcher

de ballons, en hiver, sur ce site. La

valeur de cette expérience et les

compétences des équipes respon-

sables des lâchers de ballons se reflè-

tent dans les résultats d’un vol par-

ticulièrement notable, réalisé au

cours de l’hiver 1999/2000.La charge

utile, mise au point dans le cadre

d’une collaboration allemande /

danoise / française / italienne / amé-

ricaine,était destinée à prendre des

mesures des nuages stratosphé-

riques polaires, en vue de leur ana-

lyse. Ces nuages, sans lesquels la

destruction chimique de l’ozone ne

peut se produire,ne se forment que

si la stratosphère est très froide

( -80ºC). Durant l’hiver 1999/2000,

un vol a pu être réalisé avec succès

grâce à la justesse des prévisions

météorologiques, à l’absence de

secousses lors du lâcher dans des

conditions limites et à la maîtrise

de la navigation. Un deuxième vol

a pu avoir lieu quelques jours plus

tard. Le bénéfice de ces vols sur le

plan scientifique s’est avéré très

important. Ces études sur les pro-

priétés des nuages stratosphériques

polaires se poursuivent dans le pro-

jet européen Cipa. Un nombre plus

important de lâchers de ballons sera

réalisé par le CNES et le SSC depuis

la base d’Esrange au cours des hivers

2000/01 et 2001/02.

Des moyens techniques à l’image du programmeEn parallèle une flotte d’avions équi-

pés de différentes fonctions tech-

niques et charges utiles scienti-

fiques devra effectuer une étude

détaillée de l’atmosphère.Déjà, six

avions de recherche ont contribué

à l’étude des processus des zones

subtropicales aux pôles : le M-55

Geophysica volant à très haute alti-

tude, le Falcon DLR, le Mystère 20

et ARAT du CNRS/INSU, le Cessna

néerlandais (Stream), et le Lear Jet

de la force aérienne suisse.

Grâce à des instruments au sol et

à des sondes d’ozone,le réseau euro-

péen de stations observe la com-

position de la stratosphère et les

UV-B, sur une large superficie, tout

au long de l’année.Ces stations sont

un élément important du Réseau

mondial de détection des change-

ments stratosphériques et du pro-

gramme de Veille atmosphérique

mondiale de l’OMM***. Leurs obser-

vations sur de longues périodes,

utilisées pour étudier les évolutions

à long terme de la stratosphère,

contribuent aussi significativement

aux campagnes de terrain et jouent

un rôle important dans la valida-

tion des instruments des satellites.

Les instruments embarqués sur les

satellites servent à observer la stra-

tosphère avec une couverture quasi-

globale.L’expérience du projet mon-

dial de surveillance et de recherche

concernant l’ozone sur Ers 2 et les

moyens de mesures III de l’ozone

et des aérosols sur Spot 4 (Poam)

ont fourni des mesures concernant

l’ozone et d’autres composants

atmosphériques. Dans un proche

avenir, les mesures atmosphériques

provenant d’Odin et d’Envisat appor-

teront une contribution inestimable

aux études sur les problèmes atmo-

sphériques de demain.

Theseo a englobé 13 projets au total,

conduits dans le cadre du pro-

gramme pour la recherche dans le

domaine de l’environnement et du

climat, sous l’égide de la Direction

Générale de la Recherche de la Com-

mission européenne. Une étroite

coordination entre ces projets a été

assurée, grâce à la contribution de

plusieurs agences nationales. Les

activités scientifiques ont été coor-

données par l’unité scientifique

européenne chargée de coordon-

ner les recherches sur la réduction

de la couche d’ozone et le groupe

central de Theseo. ■

*http://cloud1.arc.nasa.gov/solve/

© C

NES

1999

,pho

to P.

Le D

oaré

** Campagne financée par la NASA associant des scientifiques de la NASA, de la NOAA et du NRL*** organisation météorologique mondiale

Vérification de la force ascentionnelle

des ballons auxiliaires qui servent

à faciliter le lancement de la nacelle LPMA.

kiruna 1999

43

L e ministère allemand de l’Edu-

cation et de la recherche (BMBF)

a subventionné, de 1989 à 1999, le

programme de recherche sur l’ozone

(OFP) concernant le développement

de nouveaux instruments,les obser-

vations de terrain, la recherche en

laboratoire et les études de modé-

lisation sur les processus chimiques

et dynamiques de l’appauvrisse-

ment de la couche d’ozone. Le but

étant de contrôler et d’analyser la

variabilité spatio-temporelle de

l’ozone et des rayons UV-B en vue

de prévoir (à l’aide des modèles

numériques) les futurs change-

ments dans la composition de la

stratosphère. Ce programme s’ins-

crit dans la continuité des activi-

tés scientifiques menées sur la

moyenne atmosphère par plusieurs

instituts de recherche allemands

rattachés à des universités, à l’Ins-

titut Max Planck et à des instituts

de recherche gouvernementaux.

En 2000, le BMBF a lancé le pro-

gramme de recherche atmosphé-

rique 2000 (AFO 2000) dans le cadre

du programme allemand de

recherche sur le changement à

l’échelle du globe. AFO 2000 est

destiné à soutenir les activités scien-

tifiques : - dans les processus de

transport vertical dans la tropo-

sphère liés aux cycles atmosphé-

riques de l’énergie, de l’eau et des

gaz indicateurs, - dans les proces-

sus physiques et chimiques dans

la haute troposphère, la moyenne

atmosphère, ainsi que leur impact

sur le cycle des gaz indicateurs et

sur le changement du climat,-enfin

dans le rôle des aérosols en tant

que système multiphasé dans la

troposphère et la stratosphère.

De grands ballons pourobserver la compositionde la moyenneatmosphèreCinq instituts allemands mènent

des projets expérimentaux basés

sur l’utilisation de plateformes

scientifiques montées sur de grands

ballons pour observer la composi-

tion de la moyenne atmosphère.

Les principaux objectifs scienti-

fiques de ces études sont : - de sur-

veiller l’évolution à long terme du

taux de mélange des principaux

gaz à effet de Serre et des gaz sources

d’halogènes dans la stratosphère

(Université de Francfort / Centre

de recherche de Jülich), - d’étudier

la composition des aérosols stra-

tosphériques,en particulier les par-

ticules des nuages stratosphériques

polaires (Institut Max Plank, Hei-

delberg), - de mesurer la distribu-

tion verticale des produits chlorés

et azotés réactifs dans la strato-

sphère au-dessus des régions de

moyennes et hautes latitudes pour

étudier leur rôle dans les proces-

sus d’appauvrissement de l’ozone

(Centre de recherche de Jülich /

Université d’Heidelberg), - d’ob-

server en détail les “familles” de

l’azote et du chlore qui contien-

nent des éléments indicateurs afin

d’étudier les processus chimiques

dans la moyenne atmosphère (Centre

de Recherche de Karlsruhe). Pour

atteindre ces objectifs, ces centres

de recherche ont lié d’étroites rela-

tions avec des instituts européens,

japonais et américains. La plupart

des instruments allemands mon-

tés sur des ballons font partie de

projets de validation d’instruments

destinés à être embarqués sur les

satellites Envisat, Odin et Adeos 2.

Les nouvelles données collectées

seront également une source pré-

cieuse d’informations scientifiques.

La couche d’ozone, actuellement

perturbée,devrait revenir à un état

normal au cours des prochaines

décennies (cf. article de Neil Har-

ris p. 40) . Toutefois, ce retour à la

normale risque d’être considéra-

blement retardé en raison du refroi-

dissement de la moyenne atmo-

sphère, dû à l’accroissement des

concentrations de gaz à effet de

serre. Avec environ 150 vols de bal-

lons réalisés pour le compte de

centres de recherche allemands,

l’Allemagne est devenue le plus

gros client du CNES. ■

Augmentation, avec le temps, du rapport de mélange du CF2Cl2 (CFCL2), gaz chloré

anthropogène le plus abondant, dans la basse stratosphère, selon les résul-

tats des observations effectuées à l’aide de ballons lors des deux dernières

décennies.

Nacelle triple du laboratoire KFA Jülich

pour le programme d’aéronomie allemand.

© C

NES

1998

,pho

to C

.Bar

dou

AFO 2000

Le programme allemand

de recherche atmosphérique 2000par Ulrich Schmidt, Institut de Météorologie et de Géophysique/

Goethe Institut, Université de Francfort, Allemagne

44

C O O P É R A T I O N

Le Programme Stratégie

2000 de la NASA

par Vernon Jones

Responsable du Programme scientifique

des Affaires sous-orbitales et sciences spatiales, NASA

La NASA (National Aeronautics and Space

Administration) assure la mise à disposition

de ballons pour un large éventail de disci-

plines scientifiques, notamment l’astrono-

mie infrarouge et sub-millimétrique, l’as-

trophysique des rayons cosmiques et des

hautes énergies, la physique solaire et hélio-

sphérique, et la physique de la haute atmo-

sphère. Pour sélectionner les charges utiles,

elle a recours à une revue d’experts partici-

pant à des projets financés par les subven-

tions pour la Recherche et la Technologie.

Les critères d’évaluation sont la valeur scien-

tifique et technique du projet, ainsi que son

adéquation au Programme Stratégique de

la NASA.

Plusieurs expériences sous ballons avec des

détecteurs d’une sensibilité jusqu’à 100 fois

supérieure à celle du Cosmic Background Explorer de la NASA (1990)

étudient le fond de rayonnements hyperfréquences (CMB - cosmic

microwave background). L’une des plus connues est l’expérience

Boomerang (Balloon Observations of Millimetric Extragalactic

Radiation and Geophysics) qui, en janvier 1999, a volé dix jours autour

de l’Antarctique et mis en évidence la géométrie euclidienne plate de

l’Univers. La NASA l’a d’ailleurs récemment incluse dans une liste

informelle des dix principales découvertes de ces cinq dernières

années dans le domaine des sciences spatiales.

Dans un avenir proche, l’expérience TopHat

sur l’étude du fond de rayonnements

hyperfréquences, doit être lan-

cée en Antarctique.

Access, Constellation X… un planning bien rempli

Les plateformes scientifiques sous ballons constituent d’excellents

bancs d’essai technologiques pour les nouvelles missions spatiales.

L’Advanced Thin Ionization Calorimeter, prototype de l’un des deux

instruments de l’expérience Access (Advanced Cosmic-ray

Composition Experiment for the Space Station), accompagnera

TopHat dans l’Antarctique. Le Transition Radiation Array for Cosmic

Energetic Radiation, prototype de l’autre instrument d’Access, a été

acheminé par avion au départ de Fort Sumner (Nouveau Mexique)

en octobre 1999. L’expérience Access (lancement prévu en 2006-

2007) aura pour mission de vérifier l’hypothèse de l’accélération

des rayons cosmiques dans les ondes de choc des supernovae, l’un

des objectifs de la campagne de missions spatiales définie dans le

Programme Stratégique 2000.

La NASA exige que les détecteurs du Gamma-ray Large Area Space

Telescope (lancé en 2005 en partenariat avec le CNES) soient

d’abord testés sur des prototypes sous ballons. Ces tests sont prévus

pour 2001 et 2002. L’International Focusing Optics Collaboration for

Micro-Crab Sensitivity sous ballon intègre un télescope d’une lon-

gueur focale de 8 mètres de diamètre, ainsi qu’un nouveau type de

capteur afin de développer l’optique de focalisation pour les rayons

X pénétrants, nouvelle technologie nécessaire pour la mission

Constellation X prévue en 2008.

L’évolution récente des nouveaux matériaux des ballons, et des tech-

nologies associées, permettra d’effectuer, pour un coût relativement

modeste, des recherches captivantes et importantes du point de vue

stratégique. Une mission de démonstration d’une durée de 80 à 100

jours, avec une charge utile scientifique d’environ une tonne, doit être

lancée en décembre 2001. Selon les objectifs, de tels “satellites strato-

sphériques” peuvent concurrencer les satellites à orbite basse. Un

projet prometteur envisage d’embarquer sur un ballon un télescope

de 2,5 m, d’une résolution équivalente à celle du Large Champ et de la

Caméra 2 Planétaire du télescope spatial Hubble. A environ 36 km

d’altitude, ce télescope pourrait détecter des planètes comme

Jupiter qui tournent autour des étoiles les plus

brillantes à 33 années-lumière de la Terre.

© N

ASA

Vue d’artiste du ballon très longue durée

Test de suspension

de la charge utile ATIC

avant son départ pour

l’Antarctique