Le 31 janvier La NASA a mis fin à la carrière de découverte de près de 14 ans du spectromètre d'émission troposphérique (TES). Lancé en 2004 sur le vaisseau spatial Aura de la NASA, TES a été le premier instrument conçu pour surveiller l'ozone dans les couches les plus basses de l'atmosphère directement depuis l'espace. Ses observations à haute résolution ont conduit à de nouvelles mesures des gaz atmosphériques qui ont modifié notre compréhension du système Terre.

TES était prévu pour une mission de cinq ans, mais a duré de loin ce terme. Un bras mécanique sur l'instrument a commencé à caler par intermittence en 2010, affectant la capacité de TES à collecter des données en continu. L'équipe des opérations TES s'est adaptée en utilisant l'instrument pour maximiser les opérations scientifiques au fil du temps, essayer d'étendre l'ensemble de données aussi longtemps que possible. Cependant, le décrochage a augmenté au point que TES a perdu des opérations environ la moitié de l'année dernière. Les lacunes dans les données ont entravé l'utilisation des données TES pour la recherche, conduisant à la décision de la NASA de déclasser l'instrument. Il restera sur le satellite Aura, recevoir suffisamment de puissance pour l'empêcher de devenir si froid qu'il pourrait se briser et affecter les deux instruments restants en fonctionnement.

« Le fait que l'instrument ait duré aussi longtemps témoigne de la ténacité des équipes d'instruments chargées de la conception, la construction et l'exploitation de l'instrument, " a déclaré Kevin Bowman du Jet Propulsion Laboratory de la NASA à Pasadena, Californie, le chercheur principal du TES.

Un véritable sondeur du système terrestre

TES a été conçu à l'origine pour mesurer l'ozone dans la troposphère, la couche d'atmosphère entre la surface et l'altitude où volent les jets intercontinentaux, en utilisant des observations à haute résolution spectrale du rayonnement infrarouge thermique. Cependant, TES a jeté un filet plus large, capturant les signatures d'un large éventail d'autres gaz atmosphériques ainsi que l'ozone. Cette flexibilité a permis à l'instrument de contribuer à un large éventail d'études, non seulement sur la chimie atmosphérique et les impacts du changement climatique, mais des études sur les cycles de l'eau, l'azote et le carbone.

L'une des surprises de la mission a été la mesure de l'eau lourde :molécules d'eau composées de deutérium, isotope de l'hydrogène qui a plus de neutrons que l'hydrogène normal. Le rapport du deutérium à l'eau "normale" dans la vapeur d'eau donne des indices sur l'histoire de la vapeur - comment elle s'est évaporée et est tombée sous forme de précipitations dans le passé - ce qui à son tour aide les scientifiques à discerner ce qui contrôle la quantité dans l'atmosphère.

Les données sur l'eau lourde ont conduit à des avancées fondamentales dans notre compréhension du cycle de l'eau qui n'étaient pas possibles auparavant, comme la façon dont les orages tropicaux maintiennent la troposphère hydratée, combien d'eau dans l'atmosphère est évaporée des plantes et du sol par rapport à l'eau de surface, et comment l'eau "exhalée" de la végétation du sud de l'Amazonie déclenche la saison des pluies de la forêt tropicale. John Worden, scientifique du JPL, le pionnier de cette mesure, mentionné, "C'est devenu l'une des applications les plus importantes de TES. Cela nous donne une fenêtre unique sur le cycle hydrologique de la Terre."

Bien que le cycle de l'azote ne soit pas aussi bien mesuré ou compris que le cycle de l'eau, l'azote représente 78 pour cent de l'atmosphère, et sa conversion en d'autres composés chimiques est essentielle à la vie. TES a démontré la première mesure spatiale d'un composé azoté clé, ammoniac. Ce composé est un engrais largement utilisé pour l'agriculture sous forme solide, mais comme un gaz, il réagit avec d'autres composés dans l'atmosphère pour former des polluants nocifs.

Un autre composé azoté, nitrate de peroxyacétyle (PAN), peut être projeté dans la troposphère par les incendies et les émissions humaines. Largement invisible dans les données collectées au niveau du sol, ce polluant peut parcourir de grandes distances avant de revenir à la surface, où il peut former de l'ozone. TES a montré comment PAN variait à l'échelle mondiale, y compris comment les incendies ont influencé sa distribution. « TES a vraiment ouvert la voie à notre compréhension globale du PAN et de [l'ammoniac], deux espèces clés du cycle de l'azote atmosphérique, " dit Emily Fischer, professeur adjoint au département des sciences atmosphériques de la Colorado State University, Fort Collins.

Les trois visages de l'ozone

Ozone, un gaz d'origine naturelle et humaine, est connue pour ses multiples « personnalités ». Dans la stratosphère, l'ozone est bénin, protéger la Terre des rayons ultraviolets entrants. Dans la troposphère, il a deux fonctions néfastes distinctes, en fonction de l'altitude. Au niveau du sol, c'est un polluant qui nuit aux plantes et aux animaux vivants, y compris les humains. Plus haut dans la troposphère, c'est le troisième plus important gaz à effet de serre produit par l'homme, piégeant le rayonnement thermique sortant et réchauffant l'atmosphère.

données TES, en conjonction avec les données d'autres instruments sur Aura, ont servi à démêler ces personnalités, conduisant à une meilleure compréhension de l'ozone et de son impact sur la santé humaine, climat et d'autres parties du système terrestre.

Les courants d'air dans la troposphère moyenne à supérieure transportent l'ozone non seulement à travers les continents, mais aussi à travers les océans vers d'autres continents. Une étude de 2015 utilisant des mesures TES a révélé que les niveaux d'ozone troposphérique de la côte ouest des États-Unis étaient plus élevés que prévu, étant donné la diminution des émissions aux États-Unis, en partie à cause de l'ozone qui a traversé l'océan Pacifique depuis la Chine. La croissance rapide des émissions asiatiques de gaz précurseurs, des gaz qui interagissent pour créer de l'ozone, y compris le monoxyde de carbone et le dioxyde d'azote, ont changé le paysage mondial de l'ozone.

"TES a été témoin de changements dramatiques dans lesquels les gaz qui créent l'ozone sont produits. Les mesures remarquablement stables de TES et sa capacité à résoudre les couches de la troposphère nous ont permis de séparer les changements naturels de ceux induits par les activités humaines, " a déclaré Jessica Neu, scientifique du JPL, un co-auteur de l'étude.

Les changements régionaux dans les émissions de gaz précurseurs de l'ozone modifient non seulement la quantité d'ozone dans la troposphère, mais son efficacité en tant que gaz à effet de serre. Les scientifiques ont utilisé des mesures TES de l'effet de serre de l'ozone, combiné avec des modèles météorologiques chimiques, pour quantifier comment les modèles mondiaux de ces émissions ont modifié le climat. "Afin à la fois d'améliorer la qualité de l'air et d'atténuer le changement climatique, nous devons comprendre comment les émissions de polluants humains affectent le climat aux échelles auxquelles les politiques sont adoptées [c'est-à-dire, à l'échelle d'une ville, état ou pays]. Les données TES ont ouvert la voie à la façon dont les satellites pourraient jouer un rôle central, " a déclaré Daven Henze, professeur agrégé au département de génie mécanique de l'Université du Colorado à Boulder.

Une mission d'éclaireur

"TES a été un pionnier, collecter un tout nouvel ensemble de mesures avec de nouvelles techniques, qui sont maintenant utilisés par une nouvelle génération d'instruments, ", a déclaré Bowman. Ses instruments successeurs sont utilisés à la fois pour la surveillance atmosphérique et les prévisions météorologiques. Parmi eux figurent l'instrument Cross-track Infrared Sounder (CrIS) de la National Oceanic and Atmospheric Administration sur le satellite NOAA-NASA Suomi-NPP et l'interféromètre de sondage atmosphérique infrarouge. série (IASI), développé par l'agence spatiale française en partenariat avec EUMETSAT, l'organisation européenne des satellites météorologiques.

Cathy Clerbaux, un scientifique senior du Centre National de la Recherche Scientifique français qui est le scientifique principal de la série IASI, mentionné, "L'influence de TES sur des missions ultérieures comme la nôtre était très importante. TES a démontré la possibilité de dériver la concentration des gaz atmosphériques en utilisant l'interférométrie pour observer leurs propriétés moléculaires. Bien que des instruments similaires existaient pour sonder la haute atmosphère, TES était spécial en permettant des mesures plus près de la surface, où se trouve la pollution. Les résultats scientifiques obtenus avec l'IASI ont grandement bénéficié de l'étroite collaboration que nous avons développée avec les scientifiques de TES."

Les scientifiques de TES ont été des pionniers d'une autre manière :en combinant les mesures de l'instrument avec celles d'autres instruments pour produire des ensembles de données améliorés, révélant plus que l'un ou l'autre ensemble original d'observations. Par exemple, la combinaison de l'instrument de surveillance de l'ozone sur les mesures d'Aura dans les longueurs d'onde ultraviolettes avec les mesures infrarouges thermiques de TES donne un ensemble de données avec une sensibilité accrue aux polluants atmosphériques près de la surface.

L'équipe applique maintenant cette capacité aux mesures effectuées par d'autres paires d'instruments, par exemple, monoxyde de carbone (CO) amélioré de CrIS avec du CO et d'autres mesures de l'instrument de surveillance TROPOspheric (TROPOMI) sur le satellite Copernicus Sentinel-5 Precursor de l'Agence spatiale européenne. "L'application des algorithmes TES aux données CrIS et TROPOMI poursuivra l'enregistrement de 18 ans de mesures uniques de monoxyde de carbone près de la surface de l'instrument de mesure de la pollution dans la troposphère du satellite Terra de la NASA, ou MOPITT] dans la prochaine décennie, " dit Hélène Worden, un scientifique du National Center for Atmospheric Research à Boulder, Colorado, qui est à la fois le chercheur principal du MOPITT et un membre de l'équipe scientifique de TES.

Ces nouvelles techniques développées pour TES ainsi que de larges applications dans tout le système terrestre garantissent que l'héritage de la mission se poursuivra longtemps après les derniers adieux de TES.