Stratéole 2 : un tour du monde en ballons en 85 jours

Stratéole 2

Stratéole-2 est un programme d’observation de la dynamique de l’atmosphère dans la zone intertropicale développé en partenariat entre le CNRS et le CNES. De 2019 à 2025, trois campagnes de mesures sont prévues. Contrairement à la précédente qui a fait office de validation, la deuxième campagne débutée mi-octobre 2021 est à vocation scientifique. Celle-ci va ainsi permettre de récolter des informations précieuses pour l’étude des phénomènes atmosphériques et leurs rôles dans le climat.

Le programme utilise des ballons pressurisés stratosphériques remplis d’hélium de 11 à 13 mètres de diamètre. Pendant 3 à 4 mois, ils sont transportés par les vents tout autour de la ceinture tropicale. Propulsés à environ 20 kilomètres au-dessus de nos têtes, certains ballons peuvent parcourir jusqu’à 80 000 kilomètres !

Cet itinéraire n’est pas choisi au hasard ! Au niveau des tropiques, l’interface entre la troposphère (de 0 à 20 km d’altitude) et la stratosphère (de 20 à 50 km d’altitude) est une zone stratégique pour observer les phénomènes et les composés qui façonnent notre atmosphère. Les échanges et les mouvements d’air entre ces deux couches atmosphériques y sont importants et influent sur l’ensemble de la planète. Les caractéristiques particulières des tropiques en font une région d’intérêt pour comprendre toute la variabilité climatique.

Mais pourquoi utiliser des ballons atmosphériques ? L’ensemble des processus observés sont de petites échelles (de l’ordre du minuscule cristal de glace pour les nuages jusqu’à la dizaine de kilomètres pour les pour les interactions des nuages avec la dynamique atmosphérique). Cela implique qu’il faille aller les observer de près et dans leur milieu naturel. Le problème, c’est que la région des tropiques est difficilement accessible. Sans compter que les méthodes classiques d’observation par satellites, par prélèvement, par avion, ou par simulation mathématiques sont insuffisantes. C’est donc là que les ballons interviennent ! Ils sont les seuls à pouvoir observer en temps réel ces phénomènes au cœur même de l’atmosphère. « C’est un mode d’échantillonnage tout à fait original, qui n’est pas obtenu autrement et permet des résultats d’une finesse inégalée » (A.Hertzog).

Les enjeux de ce tour du monde 

Plus d’une dizaine de paramètres sont mesurés grâce aux instruments embarqués dans les ballons. Les données obtenues sont essentielles pour répondre aux objectifs scientifiques du projet. Certains nous permettront de mieux comprendre les évolutions du climat :

• Comprendre la dynamique de la basse atmosphère :

  Tous les deux ans environ, on observe une oscillation du vent au niveau de l’équateur dans la basse stratosphère. Cette oscillation, appelée oscillation quasi-biennale (QBO), influe sur le climat, car elle impacte la circulation générale de la stratosphère et de la haute troposphère à l’échelle du globe (variation de direction des vents, déplacement des gaz, des nuages, etc.). Des mesures standards de pression, de température et de position sont indispensables pour déterminer précisément le rôle des ondes atmosphériques responsables de cette QBO.

  Outre la QBO, les processus responsables du transport vertical des masses d'air entre troposphère et stratosphère restent largement inconnus. La plupart de nos connaissances actuelles sont basées sur des études réalisées à partir de modèles numériques, qui souffrent d'incertitudes importantes dans les tropiques et représentent à peine les processus de petite et moyenne-échelle : la convection profonde, la turbulence et le mélange associé, les ondes atmosphériques et leur impact sur la physique des nuages d’altitude (cirrus). Tous ces processus seront étudiés à partir des mesures réalisées à bord des ballons Strateole-2.

• Analyser les composés de l’atmosphère : La manière dont les gaz à effet de serre (GES) sont transportés, les caractéristiques des aérosols et de la formation des nuages sont des processus atmosphériques qui peuvent moduler le réchauffement climatique. Pour obtenir des profils de ces composés, des instruments sont déployés jusqu’à 2 km sous les ballons. Par exemple, un mini compteur d’aérosols, appelé LOAC, de seulement 800 g, mesure la concentration en particules fines et leurs caractéristiques (nombre, distribution en taille, nature, typologie).

• Évaluer l’impact des différents facteurs sur le climat : Estimer le forçage radiatif1 des différents composés de l’atmosphère permet de quantifier leur impact sur le climat. Par exemple, les gaz à effet de serre constituent un forçage radiatif positif car ils absorbent les rayons infrarouges émis par la Terre. Ils réchauffent la surface par effet de serre. À l’inverse, les aérosols ont tendance à provoquer un refroidissement de la Terre en réfléchissant les rayons solaires. Les nuages des basses couches modulent l’albédo de la Terre en réfléchissant l’énergie solaire vers l’espace ; ils contribuent à refroidir la planète. Au contraire, les cirrus, nuages froids de haute altitude, sont relativement transparents au rayonnement solaire, mais ils contribuent significativement à l’effet de serre. Le lidar BeCOOL permet de caractériser les propriétés géométriques et optiques des cirrus. Il est accompagné d’un bolomètre qui mesure les flux infrarouges montants et d’un profileur de température. Ce couplage d’instruments permet d’étudier les conditions de formation et le forçage radiatif des cirrus.

• Améliorer la fiabilité des modèles climatiques actuels : Les incertitudes des prévisions climatiques sont très liées à nos lacunes sur les processus atmosphériques. « L’objectif ultime est d’améliorer notre connaissance de la dynamique de l’atmosphère, en particulier les phénomènes de moyenne ou de petite échelle, qui sont mal représentés dans les modèles climatiques actuels. On espère ainsi contribuer à améliorer la paramètrisation des ondes de gravité dans les modèles climatiques de la Terre, ce qui permettra par la suite d’avoir des simulations plus fiables sur le siècle à venir. » (A.Hertzog)

L’état de l’atmosphère et du système climatique dépend de multiples facteurs, souvent difficiles à observer. Les scientifiques de Stratéole-2 se sont donc heurtés à des défis techniques de taille.

Les défis du projet

Faire voler des ballons en altitude durant une longue période n’est pas une mince affaire !

En effet, les instruments sont soumis à des températures extrêmes allant jusqu’à -80 °C. Pour assurer leur survie, la nacelle ZEPHYR a été conçue pour isoler les instruments de ces températures extrêmes, les maintenir entre -30 et +30 °C et leur fournir l’énergie nécessaire grâce à des panneaux solaires. ZEPHYR utilise aussi une technique de téléphonie par satellite pour transmettre les données mesurées jusqu’à la station de contrôle au sol. Autre difficulté, les ballons ne peuvent pas emporter plus de 10 kg d’instrumentation. Il y a donc fallu développer des instruments ultra légers. Par ailleurs, chaque ballon embarque des associations de 2 ou 3 instruments seulement.

Néanmoins, qui dit défis, dit opportunités !  « Nous sommes dans des conditions pré-spatiales, il faut que les instruments résistent trois mois dans les airs, sans avoir la possibilité d’intervenir dessus ni de les corriger en cas de problème » (J-B.Renard). Les défis relevés par Stratéole-2 permettent donc de faire mûrir des technologies pour le domaine spatial.