Spaceborne remote sensing of greenhouse gas concentrations

Despite their primary contribution to climate change, there are still large uncertainties on the sources and sinks of the main greenhouse gases: carbon dioxide (CO2), methane (CH4) and nitrous oxide (N2O). A better knowledge of these sources is necessary to understand the processes that control them and therefore to predict their variations. Indeed, large feedbacks between climate change and greenhouse gas fluxes are expected during the 21st century. Sources and sinks of these gases generate spatial and temporal gradients that can be measured either in situ or from space. One can then estimate the surface fluxes, either positive or negative, from concentration measurements through a so-called atmospheric inversion. Surface measurements are currently used to estimate the fluxes at continental scales. The high density of spaceborne observations allows potentially a much higher resolution. Several remote sensing techniques can be used to measure atmospheric concentration of greenhouse gases. These techniques have motivated the development of spaceborne instruments, some of them already in space and others under development. However, the accuracy of the current estimates is still not sufficient to improve our knowledge on the greenhouse gases sources and sinks. Rapid improvements are expected during the forthcoming years with a strong implication of the scientific community and the launch of dedicated instruments, optimized for the measurement of CO2 and CH4 concentrations.

RésuméL’augmentation de la concentration atmosphérique des gaz à effet de serre est la cause principale de changement climatique. Les émissions anthropiques de ces gaz se superposent à des flux naturels, qui varient dans le temps et dans l’espace et sont sensibles aux modifications du climat. On ne connaît pas précisément la distribution spatiotemporelle des sources et puits des principaux gaz à effet de serre que sont le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4) et le protoxyde d’azote (N2O). Pourtant, cette connaissance est nécessaire pour bien comprendre les processus qui les contrôlent, pour quantifier la vulnérabilité des cycles des gaz à effet de serre, et donc prédire correctement leur évolution. En effet, une rétroaction importante entre changement climatique et sources de gaz à effet de serre est attendue au cours du xxie siècle. Les sources et puits de ces gaz génèrent des gradients de concentration atmosphérique, qui peuvent être mesurés au sol ou depuis l’espace. On peut donc estimer les flux, positifs ou négatifs, à partir des gradients de concentration, par la modélisation inverse du transport atmosphérique. Avec cette technique, les mesures sol d’un réseau global de 100 stations environ ont été utilisées pour produire des bilans aux échelles continentales. Les mesures sol sont plus denses sur certains continents, comme en Europe ou en Amérique du Nord, ce qui permet de calculer des bilans régionaux, mais la plupart des autres régions du globe ne sont pas couvertes de mesures in situ. La mesure spatiale permet potentiellement d’accéder à des échelles plus fines sur toutes les régions du globe. Plusieurs techniques de mesure permettent d’estimer les concentrations atmosphériques des principaux gaz à effet de serre, en général intégrées sur la verticale. Elles ont motivé le développement d’instruments spatiaux en projet ou déjà en orbite. Cependant, la précision atteinte aujourd’hui n’est pas encore suffisante pour accéder à une meilleure connaissance des sources et puits. Des avancées importantes sont attendues dans les prochaines années grâce à un important investissement de la communauté scientifique et au lancement d’instrument dédiés, et donc optimisés pour la mesure de CO2 et CH4.