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Stratosphère… François Vial Laboratoire de Météorologie Dynamique Institut Pierre Simon Laplace.

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1 Stratosphère… François Vial Laboratoire de Météorologie Dynamique Institut Pierre Simon Laplace

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

3 Tout commence par des ballons 1648: expérience de Pascal au Puy de Dôme 1783: Premier vol habité dune Mongolfière 1804: vol de Biot et Gay Lussac (4000 m)

4 Tout commence par des ballons

5 Les premiers kilomètres P et T diminuent avec laltitude Composition de lair uniforme Arago: zéro absolu atteint à 50 km 1875: vol du Zénith (8600 m). Tissandier, Crocé-spinelli, Sivel

6 Les premiers kilomètres

7 Vols non habités (ballon sonde) 1892: Hermitte et Besançon… Teisserenc de Bort : enregistreur sous ballon (P, T) Assman: ballon en caoutchouc

8 1902: la surprise! Teisserence de Bort, Assmann: La température ne décroît plus au delà dune certaine altitude (10-12 km)… Pourquoi ?

9 1902: la surprise!

10 Nouvelle technologie 1927 Bureau et Idrac: radiosondages (Gn. Ferrier))

11 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 lozone 1920: Dobson et son spectromètre

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13 Ozone (Chapman 1930) Formation O 2 + hv O + O ( < ~ 240 nm) O + O 2 + M O 3 +M Destruction O 3 + hv O 2 + O ( < ~ 310 nm) O + O 2 + M O 3 + M O + O 3 2O 2

14 Stratopause 50 km Tropopause 8-10/12-18 km

15 Structure thermique

16 Structure dynamique

17 Ozone 90 % de lozone est dans la stratosphère Concentration max: 6ppmv

18 Equilibre radiatif F

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20 Le trou dozone Découvert par Joe Farman en 1985 à Halley Bay (mais aussi par japonais à Syowa…) Disparition quasi- totale entre 14 et 20 km.

21 Le trou dozone

22 Déjà présent dans données satellites Amplitude du trou croît

23 Trou dozone

24 Le trou dozone Protocole de Montréal (1987): interdiction des CFC Retour à la normale vers 2050!

25 Ozone Années 60: cycle de Chapman insuffisant pour expliquer la distribution dozone X + O 3 XO + O 2 O 3 + h O 2 + O O + XO X + O 2 Bilan: 2O 3 3O 2 X = NO, OH, Cl, Br Ce cycle nexplique pas le trou dozone!

26 La chimie hétérogène CFC (CF x Cl x-4 ) (et composés bromés) introduits dans la stratosphère Photo dissociation, mais formation rapide despèces stables (réservoir): ClONO 2, HCl Nuages stratosphériques polaires (nacrés ): PSC ! Composition et formation (basse température) encore mal connues, mais: acides nitrique et sulfurique (hydratés), cristaux de glace…

27 Chimie hétérogène Espèces réservoirs interagissent à la surface des PSC: HCl + ClONO 2 HNO 3 + Cl 2 ClONO 2 + H 2 O HNO 3 + HOCl HCl + HOCl H 2 O + Cl 2 N 2 O 5 + HCl HNO 3 + ClONO N 2 O 5 + H 2 O 2 HNO 3 Réactions très rapides

28 Dénoxification/Dénitrification HNO 3 reste dans particules des PSC Particules grossissent et sédimentent 2 N 2 O 5 4 NO 2 + O 2 ClO +NO 2 + M -> ClONO 2 : impossible

29 Destruction de lozone Cl2 + h Cl + Cl Cl + O 3 ClO + O2 ClO + ClO + M Cl 2 O 2 + M Cl 2 O 2 + h Cl + OClO OClO + M Cl + O 2 + M Cl + O 3 ClO + O 2 Bilan: 2 (Cl + O 3 ) 2 (ClO + O 2 )

30 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 lozone

31 Et la dynamique? Imaginée par Brewer (vapeur deau) et Dobson (ozone)

32 Et la dynamique ? Deux grands équilibres à léchelle planétaire: –Hydrostatique –Géostrophique

33 Conséquences Hydrostatique: T augmente en allant du pôle dété au pôle dhiver -> P augmente en allant du pôle dhiver au pôle dété Géostrophique: Hiver Nord: Equateur plus chaud que pole, p dirigé vers le sud. Donc vents moyens dirigés vers lest Eté Nord: Pole plus chaud que lEquateur, p dirigé vers le sud. Vents moyens dirigés vers louest Résultat : les vents dans la stratosphère sont douest en hiver et dest en été

34 Ondes planétaires Distorsions de grande échelle de lécoulement induites dans la troposphère et se propageant sous forme dondes. Phénomène dhiver ! V V

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36 Déferlement des ondes Onde sur une plageOndes planétaires ondes Force sur le sable V Force

37 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 léquateur et repoussé vers le bas au pole

38 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

39 Circulation de Brewer-Dobson Température résultant de l'équilibre radiatif-convectif

40 Circulation de Brewer-Dobson Les ballons servent encore…

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42 Oscillation quasi biennale 1908: von Berson vent douest 1957: AGI

43 Oscillation quasi-biennale Vents à 25 km

44 NAM index for 1998–1999. The lowest level is the AO index. Weak WindsStrong Winds AO Index

45 Futur de la couche d'ozone Température diminue Plus deau

46 Futur T diminue et H20 augmente => plus de PSC => destruction plus forte de lozone T augmente au sol => Plus dondes => tourbillon plus faible => moins de destruction dozone Quel scénario ???

47 Recherche en cours… Surveillance de lozone… Chimie des NOx à moyenne latitude ? Plus ou moins dozone ? Comment la stratosphère perturbe-t-elle la troposphère ? Rôle de la QBO dans le climat ? Echange despèces à la tropopause…

48 The worlds penguins are being sucked into space through an ozone hole over the South Pole, and if something doesnt give, the only place to see the little guys is in a big city zoo, warns an expert. Everythings 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…


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