Stratosphère… Stratosphère…

François Vial

Laboratoire de Météorologie Dynamique

Institut Pierre Simon Laplace

• Découverte de la stratosphère• Caractéristiques• Ozone et chimie• Dynamique• Influence sur le climat?• Futur…

Plan

Tout commence par des ballons

• 1648: expérience de Pascal au Puy de Dôme

• 1783: Premier vol habité d’une Mongolfière

• 1804: vol de Biot et Gay Lussac (4000 m)

Tout commence par des ballons

Les premiers kilomètres

• P et T diminuent avec l’altitude

• Composition de l’air uniforme

• Arago: zéro absolu atteint à 50 km

• 1875: vol du Zénith (8600 m). Tissandier, Crocé-spinelli, Sivel

Les premiers kilomètres

Vols non habités (ballon sonde)

• 1892: Hermitte et Besançon…

• Teisserenc de Bort : enregistreur sous ballon (P, T)

• Assman: ballon en caoutchouc

1902: la surprise!

Teisserence de Bort, Assmann:

La température ne décroît plus au delà d’une certaine altitude (10-12 km)…

Pourquoi ?

1902: la surprise!

Nouvelle technologie

• 1927 Bureau et Idrac: radiosondages (Gn. Ferrier))

Ozone…

• 1840: découverte par Schöbein

• 1879, Cornu: les UV-B solaires (280 à 315 nm) sont absorbés dans la haute atmosphère…

• 1880, Hartley: absorption dû à l’ozone

• 1920: Dobson et son spectromètre

Ozone (Chapman 1930)

• Formation

O2 + hv O + O ( < ~ 240 nm)

O + O2 + M O3 +M

• Destruction

O3 + hv O2 + O ( < ~ 310 nm)

O + O2 + M O3 + M

O + O3 2O2

Stratopause50 km

Tropopause8-10/12-18 km

Structure thermique

Structure dynamique

Ozone

• 90 % de l’ozone est dans la stratosphère

• Concentration max: 6ppmv

Equilibre radiatif

€

cos(ξ ) = sin(φ)sin(δ) + cos(φ)cos(δ)cos(2π

24(t −12))

F

€

cos(ξ ) = sin(δ ) = 0,39

€

cos(ξ ) =cos(δ )

π= 0,29

Le trou d’ozone

• Découvert par Joe Farman en 1985 à Halley Bay (mais aussi par japonais à Syowa…)

• Disparition quasi-totale entre 14 et 20 km.

Le trou d’ozone

Le trou d’ozone

• Déjà présent dans données satellites

• Amplitude du trou croît

Trou d’ozone

Le trou d’ozone

• Protocole de Montréal (1987): interdiction des CFC

• Retour à la normale vers 2050!

Ozone

Années 60: cycle de Chapman insuffisant pour expliquer la distribution d’ozone

X + O3 XO + O2

O3 + h O2 + O

O + XO X + O2

Bilan: 2O3 3O2

X = NO, OH, Cl, BrCe cycle n’explique pas le trou d’ozone!

La chimie hétérogène

• CFC (CFxClx-4) (et composés bromés) introduits dans la stratosphère

• Photo dissociation, mais formation rapide d’espèces stables (réservoir): ClONO2, HCl

• Nuages stratosphériques polaires (nacrés): PSC !• Composition et formation (basse température)

encore mal connues, mais: acides nitrique et sulfurique (hydratés), cristaux de glace…

Chimie hétérogène

• Espèces réservoirs interagissent à la surface des PSC:

HCl + ClONO2 HNO3 + Cl2

ClONO2 + H2O HNO3 + HOCl

HCl + HOCl H2O + Cl2

N2O5 + HCl HNO3 + ClONO

N2O5 + H2O 2 HNO3

• Réactions très rapides

Dénoxification/Dénitrification

• HNO3 reste dans particules des PSC

• Particules grossissent et sédimentent

• 2 N2O5 4 NO2 + O2

• ClO +NO2 + M -> ClONO2 : impossible

Destruction de l’ozone

• Cl2 + h Cl + Cl• Cl + O3 ClO + O2

• ClO + ClO + M Cl2O2 + M• Cl2O2 + h Cl + OClO• OClO + M Cl + O2 + M• Cl + O3 ClO + O2

• Bilan: 2 (Cl + O3) 2 (ClO + O2)

Résumé

• Formation du vortex polaire en hiver• Températures suffisamment basses pour formation

des nuages stratosphérique polaires• Réactions hétérogènes rapides transforment les

espèces chlorés (et bromés) en espèces plus réactives

• Retour du soleil induit photodissociation de ces espèces et cycle catalytique de destruction de l’ozone

Et la dynamique?

• Imaginée par Brewer (vapeur d’eau) et Dobson (ozone)

Et la dynamique ?

• Deux grands équilibres à l’échelle planétaire: – Hydrostatique– Géostrophique

Trgz

exppp rT

gdzppd

gzp

0 −=⇒−=⇒ρ−=∂∂

pkf1

Vg ∇×ρ

=

Conséquences• Hydrostatique:

T augmente en allant du pôle d’été au pôle d’hiver-> P augmente en allant du pôle d’hiver au pôle d’été

• Géostrophique:Hiver Nord: Equateur plus chaud que pole, p dirigé

vers le sud. Donc vents moyens dirigés vers l’est

Eté Nord: Pole plus chaud que l’Equateur, p dirigé vers le sud. Vents moyens dirigés vers l’ouest

• Résultat: les vents dans la stratosphère sont d’ouest en hiver et d’est en été

Ondes planétaires

Distorsions de grande échelle de l’écoulement induites dans la troposphère et se propageant sous forme d’ondes.

Phénomène d’hiver !

V

V

Déferlement des ondes

Onde sur une plage Ondes planétaires

ondes

Force sur le sable

V

Force

Circulation de Brewer-Dobson

• Déferlement des ondes induit une force aux moyennes latitudes opposée au vent – réduisant sa vitesse.

• Gradient de pression déterminé par champs de température à grande échelle ( processus radiatifs). Non modifié par les ondes planétaires.

• Force de Coriolis est réduite force vers le pole.

• Air poussé vers le pole, aspiré à l’équateur et repoussé vers le bas au pole

Vents zonaux en hiver

Noir: Propagation des ondes planétaires de la troposphère

Bleu: déferlement

Rouge: zone de mélange

Blanc: Circulation de Brewer-Dobson

Maximun de vent vers 30°N, 13 km: JET SUBTROPICAL

Au dessus de 16 km et au nord du maximum de vent: VORTEX POLAIRE

Circulation de Brewer-Dobson

Température résultant de l'équilibre radiatif-convectif

-+

-90

+

-70

-

Circulation de Brewer-DobsonLes ballons servent encore…

Circulation de Brewer-DobsonLesballons servent encore…

Oscillation quasi biennale

1908: von Berson vent d’ouest

1957: AGI

Oscillation quasi-biennale

Vents à 25 km

NAM index for 1998–1999.

The lowest level is the AO index.

Weak Winds Strong Winds

AO Index

Futur de la couche d'ozone

Température diminue

Plus d’eau

Futur

• T diminue et H20 augmente => plus de PSC => destruction plus forte de l’ozone

• T augmente au sol => Plus d’ondes => tourbillon plus faible => moins de destruction d’ozone

• Quel scénario ???

Recherche en cours…

• Surveillance de l’ozone…• Chimie des NOx à moyenne latitude ?• Plus ou moins d’ozone ?

• Comment la stratosphère perturbe-t-elle la troposphère ?

• Rôle de la QBO dans le climat ?• Echange d’espèces à la tropopause…

The world’s penguins are being sucked into space through an ozone hole over the South Pole, and if something doesn’t give, the only place to see the little guys is in a big city zoo, warns an expert.“Everything’s fine if they stay away from the hole, but if they waddle under it, whoomf! –up they go,” says Dr. Frederick Kenderly, a British member of the Antarctic Geographic Survey.

From the World Weekly News…