Nom du SOERE : ORAURE (Observations en Réseaux des Aérosols à Usage de Recherches Environnementales) - DSI

Nom du SOERE : ORAURE (Observations en Réseaux des
 Aérosols à Usage de Recherches Environnementales).

Nom du Responsable :
Didier Tanré, DR, CNRS
Laboratoire d’Optique Atmosphérique, UMR 8518
Bat.P5, Université Lille 1
59655 – Villeneuve d’Ascq Cedex
Tél : 03 20 43 47 65
Mel : didier.tanre@univ-lille1.fr
CV : Didier Tanré est directeur de recherche au Centre National de Recherche Scientifique (CNRS).
Il a été directeur du Laboratoire d'Optique Atmosphérique (LOA) de 2002 à 2007. Son activité est
orientée sur les aérosols, le système climatique et la pollution particulaire. Cela passe par la
caractérisation du cycle des aérosols, c’est-à-dire la localisation des sources et des puits et leur
évolution au cours du transport et par la détermination de leurs propriétés optiques, radiatives et
physiques à l’échelle de la planète. Il a participé à plusieurs expériences spatiales et a été impliqué dès
son origine dans le réseau AERONET. Il est membre du “MODIS Science Team”, où il a assuré la
responsabilité des produits aérosols au-dessus de l’océan. Il est membre du “CALIPSO (Cloud-
Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation) science team” et le PI de la mission
PARASOL (Polarization and Anisotropy of Reflectances for Atmospheric Science coupled with
Observations from a Lidar) mission. Il est l’auteur ou le co-auteur de plus de 120 publications
scientifiques.

Co-responsables :
Paolo Laj, Physicien CNAP
CV : Paolo Laj est physicien à l’Observatoire de Sciences de l’Univers de Grenoble et rattaché au
LGGE depuis Octobre 2009. Il est le coordinateur scientifique du projet EUSAAR (FP6) et le co-
coordinateur du projet ACTRIS qui débutera en Avril 2011 (FP7-2011-2015). Il a travaillé pendant 10
ans à l’Observatoire de Physique du Globe de Clermont-Ferrand où il a assuré le développement de la
station CO-PDD et le montage des SO BEAM et PAES. Il a participé à plusieurs projets EU depuis
FP4 (ACE2, CHEMDROP, CIME, EUCAARI, MEGAPOLI, EUSAAR, ACCENT) sur la
problématique des aérosols, de leurs sources d’émission, leur transformation dans l’atmosphère et
l’interaction aérosols/nuages. Il est l’auteur de plus de 70 publications scientifiques dans le domaine.
Il est membre du groupe d’expert aérosols de GAW et du projet GEOMON. Suite à sa mutation à
l’OSUG, Paolo Laj a reçu le mandat de contribuer à l’organisation du suivi des aérosols (notamment à
partir des mesures in-situ) en France et à leur intégration dans un contexte Européen.

Jacques Pelon, DR, CNRS
CV: Jacques Pelon est directeur de recherche au Laboratoire ATmosphère Milieux and Observations
Spatiales (LATMOS), unité mixte du CNRS, de l’UVSQ et de l’UPMC. Il est co-principal
investigateur de la mission spatiale CALIPSO développée en collaboration entre la NASA et le CNES,
et membre de l’équipe scientifique PARASOL dans le cadre desquelles il travaille sur l’étude des
propriétés des aérosols et de leur impact. Il a participé à plusieurs projets européens depuis FP4
(EUCAARI, AMMA, CLOUDNET, EARLINET, ACE2, …), et internationaux pour la caractérisation
de l’impact radiatif des aérosols et l’étude des interactions aérosols-nuages. J. Pelon est ancien
président du comité scientifique de l’IPSL et directeur-adjoint du LATMOS depuis 2009. Il est
l’auteur et le co-auteur de plus de 100 publications dans des revues internationales avec référés. Il est
co-responsable du projet IAOOS, retenu dans le cadre des projets d’excellence.

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Laboratoire Porteur :
LOA : Laboratoire d’Optique Atmosphérique, CNRS, Université Lille 1, Villeneuve
d’Ascq

Laboratoires impliqués dans le fonctionnement du SOERE :
CGTD/ICARE : Centre de Gestion et de Traitement de Données, CNRS/INSU,
CNES, Université Lille 1, Villeneuve d’Ascq.
IPSL/SIRTA : Institut Pierre Simon Laplace, CNRS, Université de Versailles Saint-
Quentin en Yvelines (UVSQ) et l'Université Pierre et Marie Curie (UPMC), Paris-6.
LA : Laboratoire d’Aérologie, CNRS, Université Paul Sabatier, Toulouse.
LaCy : Laboratoire de l'Atmosphère et des cyclones, CNRS, Université de La
Réunion, Météo-France, Saint Denis.
LaMP : Laboratoire de Météorologie Physique, CNRS, Université Blaise Pascal,
Clermont-Ferrand.
LATMOS/IPSL : Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales, CNRS,
UVSQ) et UPMC, Guyancourt
LGGE : Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l'Environnement, CNRS,
Université Joseph Fourier, Grenoble.
LMD/IPSL : Laboratoire de Météorologie Dynamique, CNRS, École Polytechnique-
Palaiseau, École Normale Supérieure, Université Pierre et Marie Curie, Paris.
LSCE/IPSL : Laboratoire des Sciences du Climat et l'Environnement, CNRS, CEA
Université de Versailles Saint-Quentin, Saclay – Gif sur Yvette.
EMD : Ecole des Mines de Douai, Département Chimie & Environnement, Douai.
OPE : Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs, Meuse et Haute
      Marne
___________________________________________________________________
OSU intervenant dans le fonctionnement du SOERE :
OMP : Université Paul Sabatier, Toulouse
OSU Nord Pas de Calais : Université Lille1, Villeneuve d’Ascq (en cours)
OSU-Réunion : Université de la Réunion, Saint-Denis
OPGC: Université Blaise Pascal, Clermont-Ferrand
OSUG: Université Joseph Fourrier, Grenoble
OSU Paris Centre: Université Pierre & Marie Curie/École Polytechnique, Palaiseau
OVSQ: Université Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines, Guyancourt
___________________________________________________________
SO labellisé intervenant dans ORAURE: PHOTONS/AERONET
SOERE intervenant dans ORAURE: OPE-ANDRA
Réseau National associé : MERA
Réseau Européen ou international associé: ACTRIS (réunissant EUSAAR et
EARLINET), AERONET, EMEP, GAW, NDACC
__________________________________________________________
industriels potentiellement intéressés dans le SOERE : CIMEL, LEOSPHERE,
NUMTECH
___________________________________________________________
Commission d’évaluation scientifique thématique dans laquelle vous
proposez que votre projet soit évalué : OA : Océan & Atmosphère

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I. DESCRIPTION DU SOERE

AVANT‐PROPOS :
La présente demande a pour objectif de fédérer et d’harmoniser les observations des aérosols
effectuées jusqu’à présent au niveau national par plusieurs approches et différentes institutions.
Cette demande avait fait l’objet d’une lettre d’intention envoyée à l’INSU en Décembre 2009. Une
incompréhension dans la procédure d’évaluation avait conduit une partie des partenaires à envoyer
fin Janvier 2010, une proposition AEROTROP‐CARDYNAT focalisée principalement sur les mesures in‐
situ et les mesures lidar afin que ces observations non encore labellisées mais primordiales pour le
SOERE soient préalablement évaluées. Le sens de cette étape intermédiaire n’a pas été compris par
le comité d’évaluation qui, ayant jugé la proposition hors de son contexte, l’a trouvée insuffisante car
ne prenant pas en compte l’ensemble des activités de la communauté française.

La proposition ORAURE que nous resoumettons rétablit la situation et affiche clairement le souhait
des différents acteurs à travailler sur un projet commun permettant de valoriser les investissements
réalisés depuis une vingtaine années autour de la thématique “aérosols”. Elle a fait l’objet d’un
avant‐projet dont le GT13 de l’alliance ALLENVI a estimé que «ORAURE en cours de constitution
pourrait être un excellent incubateur d’une structuration nationale, en mesure d’élaborer un projet
qui puisse être présenté au prochain appel d’offres SOERE prévu pour octobre 2010 ».

Les moyens d’observation de la communauté française vont évoluer dans les prochains mois. De
nouveaux SOERE, comme ROSEA (Réseau d'Observatoires pour la Surveillance et l'Exploration de
l'Atmosphère) ou SECAO (Systèmes d’Observation et d’Expérimentation au long terme pour la
Recherche en Environnement) sont proposés. IDAF (IGAC ‐ DEBITS – AFRIQUE) ou CESOA (cycle du
soufre dans la zone australe) ont été labellisés ORE il y a déjà quelques années et d’autres projets
émergent dans des régions climatiquement sensibles, comme le SDT (Sahelian Dust Transect), ou
l’observation en Arctique et en Méditerranée.

Il est difficile d’avoir une bonne vision de ce que va devenir le paysage autour de la thématique
“aérosols” dans les mois qui viennent, mais ORAURE aura vocation à intégrer les mesures pertinentes
de ces services s’ils sont retenus.

1. Système d’Observation ou d’Expérimentation

Le SOERE est clairement identifié comme service aux utilisateurs. Il a pour vocation:
    • d’assurer la continuité, au sein d’une structure nationale durable, des mesures aérosols
      effectuées par des équipes du CNRS-INSU, leur mise à disposition pour la communauté
      scientifique via le centre de données et de services ICARE et d’assurer leur visibilité
      internationale via l’interfaçage des centres de données Français et Européens,
    • de permettre l’installation d’une instrumentation de base cohérente sur l’ensemble des sites de
      bases du SOERE et d’en assurer la maintenance,
    • d’assurer le niveau maximum de qualité des mesures et leur inter-comparabilité et/ou leur
      normalisation entre sites,
    • de développer, à des fins de recherche, des nouveaux produits utilisant les synergies
      instrumentales (sol/colonne/profil),
    • d’améliorer la restitution d’informations utiles à la validation de nouvelles données spatiales
      disponibles (A-Train, MSG, METOP,…) et à la réalisation de produits combinés,
    • de caractériser les propriétés optiques, chimiques et microphysiques des aérosols et les
      interactions aérosols/nuages dans une vision quasi-4D,

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•   de développer les outils nécessaires à la fournitures d’information dans le cadre de GMES
        Atmospheric Service notamment pour le transfert systématique des informations, en lien avec
        les travaux effectués dans le cadre des activités ICOS et MACC.
    •   d’assurer les interfaces nécessaires avec les réseaux nationaux et internationaux à vocation
        complémentaire, pour lesquels les stations de base pourront accueillir des équipements
        nouveaux.
    •   d’être la composante nationale du projet d’infrastructure Intégré Européen ACTRIS (Aerosol,
        Cloud and Trace gases Research InfrastuctureS) qui débutera en Mai 2011 pour une période de
        4 ans visant à assurer la coordination Européenne des observations aérosols.

Plusieurs structures cohabitent à l’heure actuelle, avec des labels différents :
   • le pôle thématique ICARE (aérosols-nuages et rayonnement) intégrant les centres d’expertises
       du LOA et de l’IPSL et le centre de données spatiales et de services ICARE à Lille,
   • le SO PHOTONS-AERONET qui permet des observations régulières des paramètres aérosols
       intégrés sur la verticale et bénéficie d’une reconnaissance nationale et internationale,
   • les sites instrumentés labellisés comme le SIRTA à l’IPSL ou le CO-PDD à l’OPGC,
   • les autres sites, assurant des analyses et des observations qui sont effectuées en dehors d’un
       cadre de réseau structuré au plan national, mais intégrées dans la plupart des cas au niveau
       européen ou international avec des procédures de contrôle de qualité dépendant de chaque
       réseau (EMEP, GAW, EUSAAR, EARLINET, etc),
   • des stations situées hors du territoire français ou dans les Terres Australes et Antarctiques
       Française (TAAF), labellisées par des organismes internationaux (GAW – Global Atmosphere
       Watch) et dont le fonctionnement est assuré en partie ou en totalité par des scientifiques
       français. C’est le cas des stations Amsterdam ou Nepal-Climate-Observatory-Pyramid (toutes
       deux station globales GAW),
   • ou dans le cadre des actions soutenues par l’ADEME, l’observatoire MERA de mesures et
       d’évaluation à long terme de la pollution atmosphérique (gaz, aérosols, précipitations) à
       longue distance, labellisé par l’EMEP et en cours de labellisation GAW.

Ces structures ont acquis une expertise et une reconnaissance de la part de la communauté scientifique
qui utilise plusieurs de leurs paramètres « aérosols » dits initiaux dérivés des mesures. Parmi ces
produits existants un sous-ensemble de produits dits « matures » sera défini et centralisé au centre de
données et services ICARE à Lille qui en assurera l’archivage et la distribution.

Parallèlement, les développements algorithmiques seront poursuivis dans les laboratoires participant
au SOERE afin soit d’améliorer les produits existants soit d’en proposer de nouveaux en utilisant les
synergies instrumentales. Un deuxième ensemble de produits pourra être ainsi identifié pour la phase
suivante et cette démarche sera poursuivie de la même façon par la suite, en intégrant de nouveaux
moyens et acteurs.

2. Questions scientifiques, équipes de recherche, approches cognitives et/ou
   de modélisation agrégées autour des informations recueillies.

Les aérosols atmosphériques jouent un rôle important sur le bilan radiatif de la terre mais les
mécanismes par lesquels ils influencent le climat sont extrêmement complexes et mal appréhendés.
Les effets directs et indirects des aérosols restent ainsi la source principale d’incertitude sur le forçage
anthropique (IPCC, 2007). Les études récentes sur le forçage radiatif des 20 dernières années montrent
que sur cette période de temps, l’impact des aérosols peut être supérieur globalement à celui des GES
et les scénarii de mitigation du changement climatique intègrent actuellement plus ou moins
correctement la composante aérosol. Les inconnues d’importance liées à ces questions restent la
quantification des sources en particulier pour l’aérosol organique secondaire, la distribution verticale
des propriétés microphysiques et radiatives de ces aérosols, la quantification des flux de masse entre la
couche limite et la troposphère libre, l’activation des particules pour la formation des nuages et
l’établissement de bilans à l’échelle régionale.
Les politiques d’amélioration de la qualité de l’air et de mitigation du changement climatique se
rejoignent ici. Les teneurs très élevées de particules fines dans l’atmosphère entraînent chaque année

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en Europe des centaines de milliers d’hospitalisations et des dizaines de milliers de décès (CAFE,
2006). Au 1er Janvier 2015, la concentration limite moyenne annuelle pour les particules fines
(PM2.5) sera de 25 µg/m3 (cette valeur limite sera de 20µg/m3 en 2020 ; directive 2008/50/CE). Les
discussions dans le cadre du Grenelle de l’Environnement envisagent de la baisser ultérieurement à
15µg/m3. Les travaux antérieurs montrent que ces valeurs limites sont atteintes, voir dépassées dans la
plupart des sites de mesure en Europe même en zones naturelles (i.e. loin des sources de pollution). La
mise en place de politiques de réduction et de contrôle des émissions adaptées aux spécificités locales
et régionales ne peut être cependant entreprise que sur la base d’une connaissance approfondie des
propriétés des particules atmosphériques, de leurs sources d’émission ainsi que des transformations
qu’elles subissent durant leur transport dans l’atmosphère. Le suivi temporel et spatial des propriétés
optiques, physiques et chimiques des particules est à la base de cette connaissance. L’absence de
données suffisantes et pertinentes, acquises de manière continue et homogène, sur les propriétés des
aérosols est reconnue par la communauté scientifique comme un déficit majeur dans notre système
d’observation de l’atmosphère.
ORAURE a vocation à coordonner les mesures systématiques effectuées par la communauté
« recherche » et n’a pas comme objectif d’être opérationnel 24h/24h (c’est le cas des réseaux de
surveillance qui pourront se mettre en place et avec lesquels le SOERE assurera une interface active).
Ce rôle, ORAURE propose de le tenir en s’interfaçant avec les observations à l’échelle européenne
combinées aux observations spatiales en faisant fructifier l’acquis actuel. La communauté française a
été en effet extrêmement active ces dernières années pour répondre à ces questions dans le cadre de
campagnes dédiées (EUCAARI, MEGAPOLI pour les plus récentes), de réseaux au sol (AERONET,
EUSAAR, EARLINET) ou de nouveaux moyens d’observation spatiale (A-Train), permettant ainsi
d’assurer le suivi long terme de certaines propriétés des aérosols atmosphériques. Les résultats de ces
suivis temporels, dont certains remontent à plus de 30 ans, ont permis des avancées scientifiques
significatives tant sur le plan de la compréhension des processus de formation d’aérosols secondaires,
que sur l’origine des particules, leur transport ou leur impact radiatif, comme l’attestent les
publications relatives à ces mesures.
En dehors des organismes de recherches, plusieurs établissements publics à caractère industriel et
commercial (EPIC) sont des utilisateurs potentiels de la base de données qui sera développée et
évoluera dans le cadre de ce SOERE. L’ADEME appuie la composante non-réglementaire des
observations aérosols qui répond à l’obligation nationale de mettre en place, en sus du réseau MERA,
un certain nombre de sites dits de niveau 3 – Recherche-. Certaines observations du SOERE, via son
centre de données, seront transmises à l’ADEME pour intégration dans le contexte EMEP. L’INERIS
coordonne les mesures opérationnelles effectuées par les AASQA (Association Agrée de Surveillance
de la Qualité de l’Air) sur les particules (PM10 et PM2.5). Les mesures d’ORAURE viennent
compléter ces mesures et peuvent permettre pour des épisodes particuliers (ex. feux de biomasse)
d’apporter l’information nécessaire aux AASQA pour identifier les sources de pollution. Certaines
mesures d’ORAURE ont aussi vocation à entrer, à moyen ou long terme dans les compétences du
LCSQA (Laboratoire Centrale pour la Surveillance de la Qualité de l’Air). Au-delà des aspects
recherche, les travaux de Météo-France bénéficient d’informations 3D/4D que ne peuvent fournir les
réseaux opérationnels localisés principalement au sol en zones urbaines et limités aux PM2.5 et PM10.
L’IRD assure la coordination des activités situées en Afrique et en Amérique du Sud (Station
Chacaltaya (MCL). L’IRSN (Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire) s’intéresse aux
aérosols sahariens qui atteignent la France et souhaite établir un calendrier de ces événements dans le
cadre du projet OPERA (Observatoire PErmanent de la RadioActivité) de l’IRSN. En ce qui concerne
les risques de type industriel, l'ANDRA (Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs) a
mis en place en 2007 un observatoire pérenne de l'environnement (OPE) sur le site de Meuse et de
Haute-Marne labellisé SOERE en 2010. L’observation des propriétés atmosphériques dédiée au suivi
climatique et au suivi de la qualité de l’air sur le territoire de l’OPE a été engagée en concertation avec
les acteurs de la recherche en France (cadre ICOS et EUSAAR) et en partenariat avec AIRLOR
(ASQAA). La station prévoit en outre la mesure de l’épaisseur optique des aérosols et des mesures de
dépôt d’aérosol. L’éruption récente du volcan islandais Eyjafyallajökull concrétise bien le rôle que
peuvent avoir les aérosols dans la gestion des risques naturels. En effet cette éruption a cloué au sol
l'aviation européenne et ce pendant plusieurs jours avec des pertes induites extrêmement élevées, liées
au manque d’information quantitative précise. Des informations sur l'évolution des panaches de
cendres émis par le volcan (en particulier l’altitude d’injection, la distribution spatiale et l’altitude du

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transport des particules ainsi que leur composition) sont indispensables pour prendre les bonnes
décisions face à ce type de situation. Dans ce cas précis, la communauté scientifique a montré qu’elle
disposait de la plupart des informations pertinentes. Nous proposons qu’ORAURE les fournissent de
façon systématique. L’assimilation de telles données par des modèles opérationnels de transport
atmosphérique comme ceux mis en œuvre par Météo-France est possible pour produire des prévisions
réalistes de la turbidité atmosphérique et du transport à grande distance des aérosols. On voit à travers
ces quelques illustrations que, en dehors des organismes de recherches, plusieurs établissements
publics à caractère industriel et commercial (EPIC) sont des utilisateurs potentiels de la base de
données qui sera élaborée dans le cadre de ce SOERE.
On peut également anticiper de la part des utilisateurs de la société civile des demandes de
développement d’outils complémentaires. Par exemple, (i) dans le cas de l’ADEME pour laquelle
ORAURE répond à une demande réglementaire, complémentaire à MERA sur les aérosols, dans le
cadre d’EMEP, (ii) ou pour les projets d’observation et services type GEOS et GMES-MACC ; il
faudra en effet assurer,
    • le développement des procédures permettant le formatage des données après leur contrôle de
        qualité (QA/QC) et leur envoi automatique vers les bases de données ACTRIS/EMEP,
    • le développement de méthodes Quasi-Temps Réel (NRT) et de systèmes de mesure autonomes
        pour le contrôle qualité et la diffusion des données pour des applications GMES,
    • la fourniture à l’échelle régionale, européenne et semi-globale (globe restreint aux longitudes
        européennes) de cartes de paramètres aérosols : épaisseur optique, masse, taille, etc, à terme
        en quasi temps réel.

En résumé, les retombées de cette proposition ORAURE seront potentiellement de :
   • documenter les changements et les tendances dans la composition des aérosols
       atmosphériques,
   • fournir des informations pour valider les modèles numériques pour la qualité de l’air et le
       climat, et améliorer les prévisions effectuées à l’aide de ces modèles,
   • aider à la définition de nouveaux outils d’observation,
   • participer à la validation des données satellitaires,
   • mieux évaluer les impacts des changements climatiques sur la qualité de l’air,
   • proposer aux industriels des développements instrumentaux ou méthodologiques permettant
       de systématiser les observations ou les analyses,
   • collaborer avec les agences opérationnelles en charge de la gestion des risques, pour leur
       proposer des informations et des stratégies de mesure complémentaires,
   • d’assurer la prise en compte des stratégies nationales dans un contexte Européen.

3. Pertinence des paramètres mesurés, Protocoles de mesure, Démarche
   qualité.

ORAURE, comme nous l’avons signalé, se propose de fédérer des réseaux existants, en majorité
labellisés en France ou en Europe. La démarche d’homogénéisation des données et des protocoles de
mesures, de la mise en place de critères de qualité est donc une réalité pour la plupart des mesures que
nous proposons de diffuser avec la création d’ORAURE. Les stations du SOERE telles que proposées
sont représentatives des zones rurales, péri-urbaines, de sites en altitude ou présentant une situation
géographique unique (cf section 5). Plusieurs de ces stations de mesures sont rattachées à des OSU
pouvant mettre du personnel scientifique et technique à disposition.
Il est évident que toutes les variables mesurées (in-situ et télédétection depuis le sol) n’ont pas
vocation à être mesurées à chaque station du réseau. L’équipement disponible actuellement sur les
stations, s’il peut et doit bien sùr être développé plus encore (cf demande ROSEA ou demandes
régionales type CPER), est déjà conséquent et justifie le besoin d’une coordination.
Il est clair également que le réseau a vocation à s’étendre à tous les sites nationaux ou internationaux
voulant bénéficier des protocoles et de l’archivage de données développés dans le SOERE et qui en
respecteraient le cahier des charges.

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3.1. Les mesures in-situ
Les mesures in-situ intégrées dans le SOERE doivent fournir des informations systématiques sur la
masse, la taille et le nombre de particules, leur propriétés optiques (coefficients d’absorption et de
diffusion à une ou plusieurs longueurs d’onde), le nombre de noyaux de condensation nuageuse en
fonction de la taille, la composition chimique (ions majeurs, carbone organique et carbone élémentaire
ainsi que quelques traceurs d’activité spécifique tel que le lévoglucosan pour la combustion de la
biomasse, les métaux lourds, les HAP) (Table 1). L’ensemble de ces variables est fourni en conformité
avec les protocoles EUSAAR et maintenant ACTRIS, sur une base horaire à l’exception de la
composition chimique.

    Variable                                             Instrumentation utilisée
    Nombre de particules                                 Compteur CN (TSI, GRIMM)
    Spectre dimensionnel                                 Spectromètre  de    taille type           SMPS
    (10-500 nm)                                          (TSI/GRIMM ou custom-mode)
    Coefficient d’absorption (1 λ ou plusieurs λ )       Spectromètre d’absorption (Aethalomètre)
    Coefficient de diffusion                             Néphélomètre intégrateur (TSI/ECOTECH)
    (1 λ ou plusieurs λ )
    Masse des particules                                 TEOM FDMS
    Nombre de Noyaux de condensation (CCN)               Chambre CCN DMT
    Composition chimique inorganique                     Chromatographie Ionique sur filtre- Aerosol
                                                         Mass Spectrometer (AMS- AERODYNE)
    Composition Chimique OC/EC                           Thermo-Optique(SUNSET) sur filtre, AMS
                                                         (OC uniquement), SP2 (BC uniquement)
    Traceurs spécifiques                                 GC/MS ou LC/MS

Tableau 1 : Liste des variables mesurées par le réseau de mesures in situ suivant le protocole
       EUSAAR/ACTRIS.
Une série de variables peut être déduite de ces mesures directes : le coefficient de simple diffusion
(single scattering albedo), le coefficient d’Angström, le coefficient de croissance hygroscopique
(Kappa), les fractions primaire et secondaire de l’aérosol, l’origine des sources, etc…

     3.2. Les mesures par télédétection à partir du sol
Les mesures par photométrie sont intégrées et gérées au sein du réseau AERONET/OHOTONS
(l’ensemble des stations sous maintenance de la partie française du réseau sont reportées en annexe). Il
permet d’effectuer des observations en Europe, dans les zones de soulèvement des particules
désertiques fréquemment transportées vers l’Europe, et sur des sites « clé » situés à différentes
latitudes. La plupart des stations européennes (hors France) sont gérées par les responsables de site et
ne sont pas directement du ressort du SO PHOTONS ; par contre, plusieurs d’entre elles sont
directement impliquées dans le programme européen ACTRIS. La liste des paramètres mesurés ou
retrouvés à partir des mesures est reportée dans le Tableau 2.

  (1) Variables standards                                        Symbole
  Distribution en taille volumique (22 intervalles, entre        dV/dlnR
  0.05 et 15µm)
  Paramètres des modes granulométrique fin et grossier           C(t,f,c), Rv(t,f,c), σ(t,f,c), Reff (t,f,c)
  Indice de refraction complexe à plusieurs longueurs            n(λ) et k (λ) à 0.44, 0.67, 0.87, 1.02 µm
  d’onde

                                                     7

Fraction de particules non sphériques                        Cnon spherical

  (2) Variables dérivées                                      Symbole
  Albedode diffusion simple (absorption)                      ω0 à 0.44, 0.67, 0.8, 1.02 µm
  Matrice de diffusion                                        P11(Θ,λ), P12(Θ,λ) et P22(Θ,λ)
  Facteur d’asymétrie                                         
  Flux radiatif descendant multispectral                      F↓TOA(λ) et F↓BOA(λ)
  Flux radiatif montant multispectral                         F↑TOA(λ) et F↑BOA(λ)

  (3) Futures variables                                       Symbole
  Rapport lidar (extinction/rétrodiffusion)                   S(λ)
  Facteur de dépolarisation lidar                             δ (λ )
  Flux radiatifs intégrés descendants (visible);              F↓TOA et F↓BOA
  Flux radiatifs intégrés montants (visible);                 F↑TOA et F↑BOA
  Forçages radiatifs des aérosols                             ∆FTOA et ∆ FBOA
  (sommet et base de l’atmosphère)

Tableau 2 : Liste des paramètres des aérosols restitués par le réseau AERONET/PHOTONS (1) :
paramètres     standards ; (2) : paramètres dérivés des inversions AERONET ; (3) : nouveaux
paramètres en cours de validation (forçages : voir Derimian et al. 2008, Garcia et al. 2008).

Les mesures lidar sont actuellement effectuées dans le cadre du réseau EARLINET (maintenant fédéré
dans le projet FP7 ACTRIS), du réseau NDACC (surveillance des changements atmosphériques) et sur
d’autres sites fonctionnant indépendamment. La liste des variables observées et déduites des mesures
lidar est donnée dans le Tableau 3.

Variable                                               Instrumentation
Profil du coefficient de rétrodiffusion atténué        Leosphere, 355 nm ; CMEL 532nm
                                                       Lidar recherche multi longueurs d’onde (316 et
                                                       355 nm/ 532 et 1064 nm)
Hauteur de couche limite,                              Lidar CIMEL, 532 nm, Lidar recherche multi
                                                       longueurs d’onde (316 et 355 nm/ 532 et 1064 nm)
Rapport lidar moyen,                                   Lidar recherche multi longueurs d’onde (316 et
                                                       355 nm/ 532 et 1064 nm)
Profils des coefficients de rétrodiffusion,            Lidar recherche mono ou multi longueurs d’onde
d’extinction et de dépolarisation.                     (316 et 355 nm/ 532 et 1064 nm
                                                       Lidar Stratosphere 532, 607, 1064 nm

Tableau 3: Liste des paramètres des aérosols restitués et dérivés des inversions par les mesures Lidar
existantes sur les sites nationaux.

    3.3. Les mesures spatiales et le centre de données et services ICARE

Le CNES et l’INSU avaient mandaté en 1999 un groupe de travail afin de définir un schéma directeur
pour les dix ans à venir concernant la gestion des données pour les géosciences. Parmi les conclusions
et recommandations de ce groupe figuraient :
       - « la nécessité d’une coordination entre les institutions nationales de recherche pour les
           données spatiales. Le besoin d’une forte coopération entre le CNES et les organismes
           scientifiques utilisateurs, au premier rang desquels figure l’INSU, est souligné.

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-    la nécessité de mettre en place des Pôles de Compétence Thématique à l’échelle
           internationale prenant en compte en particulier les autres acteurs européens du domaine et,
           si possible, faisant l’objet de montages en coopération. Le fonctionnement de ces pôles doit
           reposer sur une organisation en réseau, ou du moins s’appuyer sur des ramifications, mais il
           nécessite un Centre de Compétence Thématique assurant au bénéfice de l'ensemble de la
           communauté intéressée des tâches de gestion et de mise à disposition de données et d'outils
           spécifiques. »

Cette réflexion a conduit à la création en 2003 du pôle ICARE ainsi que celle d’une nouvelle unité, le
Centre de Gestion et de Traitement des Données (CGTD), ou Centre de Données et Services, devenue
Unité Mixte de Services ICARE fin 2005. Le CGTD a pour mission de fournir un ensemble de
prestations techniques et de services mutualisés permettant à la communauté utilisatrice d’exploiter au
mieux les données et produits des missions spatiales relevant de la thématique «aérosols-nuages-
rayonnement-eau».

Les mesures et les produits de plusieurs instruments sur de nombreux satellites (par exemple les
géostationnaires GOES et MSG, AQUA, CALIPSO, CLOUDSAT, AURA, PARASOL, METOP, etc)
sont ingérées quotidiennement dans la base de données du CGTD. Des chaînes de traitement tournent
de manière automatique sur les données de cette base. Par ailleurs, le CGTD développe de nombreux
outils et services à la carte en fonction des demandes provenant des missions nominales, c’est à dire
POLDER/PARASOL, CALIPSO, et Megha-Tropiques et pour lesquelles le CNES est fortement
impliqué. Le CGTD fournit plusieurs produits aérosols développés indépendamment à partir des
observations de ces missions et des observations géostationnaires de l’imageur SEVIRI sur MeteoSat,
offrant la continuité temporelle (cf : http://www.icare.univ-lille1.fr/browse). De nombreux traitements
impliquent une utilisation combinée de plusieurs capteurs.

Le CGTD fournit également des services de type « aide à l’utilisation des données ». Ce service prend
une forme interactive, en répondant à des demandes directes des utilisateurs: questions sur le format
des produits, leur datation, sur les outils de lecture, etc. De façon plus proactive, au travers de son site
web (http://www.icare.univ-lille1.fr), le CGTD s’efforce également de mettre en place les services
nécessaires pour répondre aux difficultés les plus communément rencontrées par les utilisateurs : (i)
accès aux données, (ii) développement d’interfaces de visualisation des produits, (iii) outils web
permettant une colocalisation rapide des mesures, (iv) outils de lecture, de conversion, de projection,
etc. Le CGTD a également développé plusieurs outils permettant d’inter-comparer les observations
spatiales entre elles, ou encore de les comparer à des observations au sol (ex : AERONET) ou des
sorties de modèles (ex : MACC).

    3.4. Démarche qualité
Même si les instruments des stations actuelles sont disparates et le nombre et le type de paramètres
dérivés différents, ORAURE uniformisera les traitements et fournira des grandeurs comparables. Les
produits seront élaborés avec une résolution spatiale et temporelle adaptée aux besoins exprimés par
les différents utilisateurs (analyse de données, modélisation, assimilation, etc). L’effort de
standardisation sera en effet une première priorité du SOERE. Si le réseau AERONET est standardisé,
un travail d’accompagnement spécifique sera engagé pour assurer la qualité des données
recommandée par EMEP/GAW/ACTRIS pour les mesures in-situ et lidar. Le SOERE vise aussi à
organiser de manière durable les conditions pour maintenir la qualité des observations au sol via des
centres d’étalonnage ou des services en appui aux opérateurs de station.

Les services à la production de données sont essentiellement liés à l’amélioration de la qualité des
données et à leur harmonisation au plan national. L’infrastructure prendra la forme :
    • d’un centre d’expertise pour les photomètres solaires type CIMEL. Ce centre sera également
        chargé de l’étalonnage des instruments. Il assurera également le suivi du développement
        industriel des instruments et leur validation. Il est labellisé dans le cadre d’ACTRIS.
    • d’un centre d’expertise pour les instruments de télédétection active (lidars et radars). Ce centre
        sera chargé de la définition des observations lidar (et éventuellement radar pour les

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interactions aérosols/nuages) au sol et du suivi du développement industriel des instruments
         et leur validation.
    •   d’un centre d’expertise pour les mesures au sol. Ce centre sera chargé de la définition des
         observations au sol et du suivi du développement industriel des instruments et leur validation.
         Il fournira, pour la partie chimie des aérosols, les méthodes et les standards et au besoin
         effectuera les analyses chimiques pour l’ensemble du SOERE. Il sera chargé de l’organisation
         de campagnes d’inter-comparaison de techniques d’analyses et d’instrumentation, en étroite
         coordination avec l’action similaire dans ACTRIS.
    •   de moyens mobiles de mesures pour répondre au besoin de campagnes (type plate-forme
         mobile- MOBILIS du LMD, cf section 5).
    •   d’audits réguliers des stations de mesure du SOERE suivant les règles de GAW et de sessions
         de formation scientifique et technique à destination des opérateurs des sites.

4. Durée d’observation

La durée d’observation doit être supérieure à 10 ans. Certaines des stations qui vont composer
ORAURE ont démontré qu’il était possible d’envisager des mesures à très long terme ; les premières
mesures lidar régulières ont été effectuées à l’OHP au début des années 90. Les mesures
photométriques sur le site de Lille ont commencé en 1995 avec un suivi régulier à partir de 1999 ; le
site du SIRTA à Palaiseau a une archive qui démarre vers 2000 ; les mesures des propriétés des
aérosols ont été initiées en 2001 au PDD. La volonté de maintenir ce type de mesures est donc
indiscutable et, en ce qui concerne le financement, le SO PHOTONS/AERONET a été renouvelé fin
2010 (de même que la partie du réseau sous la responsabilité de la NASA). Pour les mesures spatiales,
le CGTD/ICARE, devenu UMS en Décembre 2005 a été renouvelé en Mars 2010. Plusieurs missions
spatiales s’intéressant aux aérosols sont en préparation ; on peut citer les missions ADM-Aeolus/ESA,
EARTHCARE/ESA/JAXA, 3MI sur Post-EPS/EUMETSAT ou sur PACE/NASA qui sont du ressort
du pôle ICARE. Pour les mesures in-situ ou Lidar, les programmes européens correspondant
EUSAAR et EARLINET se terminent mais le projet ACTRIS, accepté dans le cadre du programme
FP7-INFRASTRUCTURES, démarre en Mai prochain. De plus, un certain nombre d’OSU soutient
activement ces observations. Il est évident que ce soutien ne pourra qu’être renforcé en cas de
labellisation SOERE.

Grâce au soutien des organismes, il y a une forte dynamique autour des aérosols qui confirme l’intérêt
scientifique de la thématique et la motivation des proposants pour assurer le financement des
observations sur le long terme.

5. L’existant : les stations du SOERE

Un grand nombre de stations assurent des mesures systématiques de paramètres aérosols sous la
responsabilité complète ou partielle de chercheurs de la communauté nationale. Compte tenu du regain
d’intérêt de l’observation systématique pour la recherche, de nouvelles stations sont en
développement. Les stations du SOERE sont représentatives de zones rurales ou urbaines, de sites en
altitude ou présentant une situation géographique particulière. Certaines s’appuient sur des
Observatoires et ont un historique qui permet d’envisager des études de variabilité saisonnière.
D’autres sont plus récentes et trouvent leur justification dans la spécificité de leur localisation. On
retrouvera en Annexe (Tableau 5) une description détaillée des mesures réalisées sur les différentes
stations. Nous avons dressé sept typologies de sites.

    5.1. Sites de base

Les sites historiques de base du SOERE correspondant à des stations disposant d’enregistrement
quasi-climatiques (>10 ans) de l’un ou l’autre des paramètres aérosols d’intérêt du SOERE. Les sites
de base sont dotés des instruments permettant la restitution de beaucoup les produits avec des
instruments commercialisés automatisés et des procédures strictement identiques permettant de
garantir la qualité des analyses. Ces sites ont, pour la plupart, été identifiés par l’INSU via les SO
existants ou sont des sites instrumentés labellisés (concept de site INSU). Au-delà de la fourniture de

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données scientifiques, ces sites ont vocation à accueillir des chercheurs pour des campagnes
ponctuelles ou à être un lieu d’expérimentation au service des utilisateurs. Ces sites se caractérisent
par le concept de station régionale multi-instrumentée et parfois multi-sites voir multi-altitude.
Cet ensemble est composé au Nord du SIRTA/Qualair en région parisienne, et du site d’observation de
référence AERONET de Villeneuve d’Ascq. Il comprend également trois sites au Sud situés sur les
massifs montagneux et bénéficiant d’une approche multi-sites (site de plaine pour la télédétection, site
d’altitude pour les mesures in-situ). Il s’agit du site Cézeaux-OPME-Puy de Dôme (400m-1475m), du
site Lannemezan-Pic du Midi (588m, 2680m) et du site Observatoire de Haute Provence-Plateau de
Bure (680m-2540m). Nous ajoutons à ces sites le nouveau site de l’Observatoire Pour
l’Environnement (OPE,) de l’ANDRA dans la Meuse compte tenu de sa récente labellisation SOERE
et de l’investissement très conséquent sur le site en matière de mesures atmosphériques. Le site est
déjà labellisé dans le cadre du réseau ICOS-RAMSES. Ces 6 stations offrent une vision 4D de la
composition atmosphérique sur des régions sous l’influence directe de zones de pollution (Bénélux, Ile
de France et Rhénanie Allemande pour les sites au Nord), de masses d’air maritime (Méditerranée) ou
désertiques (sites du sud).
Nous ajoutons à ces sites le site de Saint-Denis-Pic Maïdo (30-2200m) sur l’île de la Réunion, qui
dispose d’un historique de mesures 3D (Lidar NDACC) et dont l’investissement pour le
développement de la station Maïdo est en cours de labellisation INSU. Le SOERE devra permettre de
répondre aux besoins de campagnes d’étude de régions ciblées par la mise en œuvre d’une ou
plusieurs stations et des analyses de données spatiales.

    5.2. Sites GAW Régional ou Global

L’implication de scientifiques de la communauté INSU dans le système d’observation GAW doit être
soutenue par cette structuration GAW. Quatre sites labellisés GAW sont identifiés : (1) la station de
l’Ile d’Amsterdam (-AMS- GAW Global) disposant d’un historique de mesures aérosol (in-situ et
AERONET) et des gaz à effet de serre, (2) le site du Crozet avec un historique de 5 ans dans une zone
géographique unique, (3) la station NCO-P au Népal (-PYR-) gérée en collaboration avec les
chercheurs du CNR en Italie et avec une forte responsabilité des UMR LGGE et LaMP dans le projet
et enfin (4) la nouvelle station La Paz-Chacaltaya (- CHC- GAW Regional et AERONET) qui verra en
2011 la mise en service de la partie CHL à 5300 avec une forte implication nationale à travers l’IRD et
les UMR LGGE, LSCE, LAMP et CNRM pour les mesures aérosols et gaz à effet de serre. Ces
stations, principalement situées hors territoire national, répondent à un besoin exprimé de développer
les observations dans des zones où elles sont manquantes, notamment dans la troposphère libre de
l’hémisphère Sud (voir Laj et al., Atmospheric Environment, 2009).

    5.3. Réseaux IDAF/SDT

Les stations des SO IDAF ou SDT (demande de labellisation en cours) situées en Afrique de l'Ouest
sont importantes pour le calage des modèles dans l’estimation de la contribution à grande distance à la
pollution particulaire sur le territoire et leurs données doivent être disponibles via ORAURE.
L’engagement français en Afrique de l’Ouest continue également via la programme AMMA2. Il est
clair que ces sites doivent bénéficier de l’infrastructure SOERE notamment pour les aspects contrôle
qualité des variables aérosols mesurées de façon systématique.

    5.4. Nouveaux sites ou sites en émergence

Il est évident que le SOERE a vocation à accueillir l’ensemble des sites et des données qui respectent
les procédures de contrôle qualité et les méthodes préconisées, en particulier dans les zones sensibles
identifiées particulièrement importantes par la communauté. Le site ERSA au Cap Corse intégré au
projet MISTRALS ou la première composante de l'observatoire arctique financée récemment (cf
demande EQUIPEX IAOOS) pouront clairement rejoindre (en partie) ORAURE.

    5.5. Sites AERONET

Les sites AERONET du SO PHOTON sont listés dans le tableau 6 en annexe.

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5.6. Sites MERA

Le dispositif MERA (MEsure des Retombées Atmosphériques) constitue la contribution française au
réseau européen EMEP de suivi des pollutions atmosphériques longue distance et transfrontières. Il
permet, dans les zones éloignées de toute source de pollution, d'effectuer une surveillance continue des
dépôts humides et des polluants gazeux et particulaires présents dans l'atmosphère. Le dispositif
MERA complète par ailleurs le dispositif réglementaire Atmo de surveillance de la pollution
atmosphérique en France, déployé principalement dans les agglomérations et zones industrielles.
Quelques mesures du réseau MERA, principalement l’échantillonnage de filtres, font partie du
périmètre des variables ORAURE. Le rapprochement ORAURE-MERA assurera plus de cohérence
entre les deux réseaux et un accès facilité aux données. L’observatoire MERA comprend 9 sites de
mesures ruraux et est doté d’un programme d’assurance des mesures. Les sites MERA pourraient
contribuer par exemple à ORAURE lors de campagnes spécifiques en y apportant une contribution
scientifique en matière de mesures de gaz et particules notamment étant donné les équipements
disponibles (Chambres de simulation, compteurs à particules, impacteurs, AMS, PTR-TOFMS,
préleveurs et analyseurs divers) et matériels analytiques (GC-MS, IC-MS, GC-IRTF, ICP-MS,…).

    5.7. Site Mobile MOBILIS
Enfin, le suivi de qualité et la mise en œuvre lors de campagnes de terrain sont les objectifs auxquels
devrait répondre la station mobile MOBILIS développée au LMD. Ce rôle lui sera assigné en tant que
station de référence mobile. Elle devrait faire partie de l’un des OSU parisiens et sera partie intégrante
du SOERE qui assurera la diffusion des données.

L’investissement de la communauté nationale en matière d’observations systématiques est
conséquent et encore en développement. Il est évident que l’éventuelle labellisation du SOERE n’est
pas un engagement des organismes à assurer la pérennisation des mesures. La vocation du SOERE
est de fournir les outils pour assurer l’intégration des mesures sur tous les sites dans la base de
données ICARE. Les stations, même sans financement d’équipement SOERE, doivent pouvoir
bénéficier de la logistique mise en place pour le SOERE et en particulier celle du CGTD/ICARE quant à
l’accès et la distribution des données. Une partie des investissements du SOERE sera attribuée en
priorité aux sites de base. Ce sera, suite aux recommandations du conseil scientifique, au comité de
pilotage dans lequel siègeront les organismes de définir les priorités d’équipement permettant de
faire évoluer leur instrumentation pour amener certaines stations que nous venons de lister au
niveau des stations de base, en particulier dans les zones sensibles où les observations sont
manquantes.

6. Archivage, valorisation et mise à disposition des données :

Il n’existe actuellement aucune coordination permettant d’avoir accès à l’ensemble des mesures
effectuées par les chercheurs français sur les sites de mesure du SOERE. A l’heure actuelle, un
utilisateur peut accéder aux mesures soit via des bases de données internationales (EUSAAR, WDCA,
EMEP- dans EBAS au NILU, EARLINET au MPI Hambourg), soit via des bases de données SO
(PHOTONS contribuant à AERONET, ETHER pour le NDACC), soit sur des bases de données
locales (type Pic du Midi), soit, dans certains cas, en contactant directement les chercheurs concernés.
Cette situation est handicapante pour les utilisateurs ; la création ORAURE sera une reconnaissance de
l’importance des observations depuis la surface.
Le SOERE ORAURE devra aussi être l’outil de prospective pour le système d’observation national
aérosol. Un certain nombre de travaux est en cours pour miniaturiser et automatiser des stations afin
de faciliter un déploiement futur vers des zones encore privées d’observation et développer/améliorer
des techniques existantes pour les rendre utilisables pour l’observation. Ces développements

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