Au cours de la dernière décennie, il est devenu évident que la composition chimique de l'atmosphère change à l'échelle mondiale, et que les activités humaines sont partiellement responsables de ce changement global.
Dès lors, les expériences menées au Pôle Espace s'intègrent dans des programmes internationaux tels que le Global Change, dont le thème principal est l'étude des mécanismes atmosphériques à l'échelle globale pour mieux comprendre les phénomènes affectant l'atmosphère de la Terre et le climat.

A cette fin, les programmes expérimentaux de l’Institut d'Aéronomie Spatiale de Belgique utilisent un très large éventail de moyens: les observations et mesures sont effectuées à partir d'observatoires terrestres, de ballons stratosphériques, de fusées-sondes ou à bord d'engins spatiaux tels que les navettes spatiales ou les satellites. De plus, la recherche spatiale dépend des mesures en laboratoire et l’investigation théorique est également importante puisqu’une modélisation théorique est requise afin d’interpréter les données expérimentales, mais aussi pour établir l’état passé, présent et futur de l’atmosphère.

Les études d'environnement atmosphérique requièrent des mesures de constituants couvrant une gamme étendue d'échelles spatiales, depuis les sources localisées (pollution urbaine, panaches volcaniques, …) jusqu'à l'atmosphère dans sa globalité. Il faut également disposer d'observations sur une période assez longue pour distinguer les tendances à long terme des variations naturelles associées aux saisons ou à d'autres phénomènes cycliques, tels que le cycle d'activité solaire.
La combinaison des différents types de techniques et de plates-formes de mesure (station au sol, avion, ballon, fusée, navette spatiale, satellite) permet d'obtenir de bons résultats. De par leur nature ponctuelle, les expériences au sol (photo 1) en ballon ou en avion, demeurent l'approche de prédilection pour les études de processus physico-chimiques. Les instruments satellitaires (video 1), quant à eux, permettent d'extrapoler ces études à l'échelle mondiale, et fournissent une cartographie globale et continue des constituants et des paramètres atmosphériques les plus importants.
Et pour avoir une vision d'ensemble, les chercheurs intègrent les différents processus dans des "modèles" mathématiques et informatiques de l'atmosphère.

En ce qui concerne les prévisions météorologiques (photo 2), il est indispensable d'observer le mieux possible la situation présente et de s'en construire une image la plus précise possible sur l’échelle la plus large, tant à la surface qu’en altitude.
Pour ce faire, les stations d'observations de l'IRM génèrent des observations locales toutes les trois heures des principaux paramètres tels que la pression atmosphérique, la température de l'air, la direction et l'intensité du vent, la nébulosité, l'humidité de l'air et la quantité des précipitations. Des observations de ce type sont effectuées dans des conditions standardisées au même moment partout dans le monde.

Outre les observations en surface, pour élaborer une image tridimensionnelle de l'état de l'atmosphère, il faut disposer d'observations en altitude. C'est pourquoi on effectue dans différents points du globe, des sondages aérologiques. En Belgique l'IRM en réalise 4 fois par jour. Un ballon gonflé à l'hydrogène (photo 3) et auquel est arrimée une radiosonde monte jusqu'à une trentaine de kilomètres. Les mesures des principaux paramètres sont envoyées à une station réceptrice située à Uccle.

En plus de ces observations classiques décrites ci-dessus, les observations satellite tentent de combler les lacunes depuis les années soixante. Des satellites météorologiques en orbite autour de la Terre peuvent produire des images de portions de l'atmosphère à intervalles réguliers. C’est grâce à ceux-ci que nous pouvons voir les animations représentant la couverture nuageuse lors des bulletins du temps télévisés. De plus, les images originales générées par le satellite sont d'une grande valeur sur le plan scientifique.

Les images radar ont également pris une grande importance dans les dernières décennies. Ces images permettent de suivre en temps presque réel le déplacement des précipitations.

L'évolution des décharges d'orages (coups de foudre) peut aussi être suivie à l'IRM grâce au système SAFIR.

Depuis les immenses progrès qu'a apporté l'exploration spatiale, on est parvenu à des conditions telles que chacune des composantes du bilan radiatif de la Terre est étudiée à l'échelle internationale. Certains instruments tels que les radiomètres développés à Uccle, servent de référence mondiale. Les données obtenues intéressent toute la communauté scientifique qui cherche à évaluer les variations dans l’équilibre climatique du globe.

Suivre et comprendre le cycle de l'eau pour contribuer à un développement durable, respectueux des ressources indispensables à la vie sont des tâches qui passionnent certains chercheurs : la mesure de la quantité de précipitation (photo 4) est une chose moins simple qu'il n'y paraît à première vue. Pour permettre une évaluation correcte de ce que reçoit un bassin hydrologique, il faut choisir les instruments de mesure en fonction du type de précipitation (averses, pluie frontale…).
L'évapotranspiration doit elle aussi être évaluée, soit par des mesures directes, soit indirectement à partir de différents paramètres. Le développement de nouveaux outils montés à bord de satellites (video 2) ou au sol nécessite que des hydrologues spécialisés dans la partie atmosphérique du cycle de l'eau se penchent sur de nouveaux défis.