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

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

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 (l < ~ 240 nm) O + O2 + M -> O3 +M Destruction O3 + hv -> O2 + O (l < ~ 310 nm) O + O2 + M -> O3 + M O + O3 -> 2O2

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

Structure thermique

Structure dynamique

Ozone 90 % de l’ozone est dans la stratosphère Concentration max: 6ppmv

Equilibre radiatif F x

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 + hn -> O2 + O O + XO -> X + O2 Bilan: 2O3 -> 3O2 X = NO, OH, Cl, Br Ce 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 + hn -> Cl + Cl Cl + O3 -> ClO + O2 ClO + ClO + M -> Cl2O2 + M Cl2O2 + hn -> 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

Conséquences Hydrostatique: Géostrophique: 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. V Phénomène d’hiver ! V

Déferlement des ondes Onde sur une plage Ondes planétaires ondes V Force sur le sable 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 + -70 - Température résultant de l'équilibre radiatif-convectif - + -90

Circulation de Brewer-Dobson Les ballons servent encore…

Circulation de Brewer-Dobson Lesballons servent encore…

Oscillation quasi biennale 1908: von Berson vent d’ouest 1957: AGI

Oscillation quasi-biennale Vents à 25 km

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

From the World Weekly News… 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…