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Le climat à découvert

 | 
Catherine Jeandel
, 
Rémy Mosseri

Deuxième partie. Les mécanismes physico-chimiques en jeu

5. La stratosphère et le climat

François Lott

Texte intégral

1L’atmosphère moyenne est la partie supérieure de l’atmosphère neutre, elle s’étend entre 15 km et 90 km d’altitude environ, incluant la stratosphère* et la mésosphère (cf. I-4). Elle représente donc 80 % du volume de l’atmosphère neutre mais seulement 10 % de sa masse. Pour cette raison, et aussi parce que les capacités numériques sont limitées, les modèles de climat utilisés dans le cadre du débat sur le changement climatique représentent souvent assez mal l’atmosphère moyenne.

Influence sur le climat

2Après une longue série de travaux théoriques et observationnels faits au cours des 30 dernières années, il est aujourd’hui bien établi que la stratosphère a une influence non négligeable sur le climat au sol. Cela est en partie dû à des effets radiatifs et chimiques, liés au fait que la stratosphère contient une très grande partie de l’ozone qui absorbe le rayonnement UV* venant du Soleil, mais aussi une très petite quantité de vapeur d’eau ayant cependant un effet de serre* significatif. Cet effet de la stratosphère sur le climat est aussi dynamique, dans le sens ou certains modes dominant la variabilité des champs de vents, comme l’Oscillation Quasi-biennale* (OQB*) dans les tropiques ou l’Oscillation Arctique* (OA) aux moyennes latitudes, se déplacent depuis la stratosphère vers la troposphère* et ont un effet significatif sur le climat au sol dans différentes régions. Il est ainsi bien établi que l’OQB agit sur les champs de pression à la surface dans presque tout l’hémisphère Nord aux moyennes et hautes latitudes. Elle semble aussi affecter les précipitations dans les régions équatoriales. L’effet de l’AO* à la surface, quant à lui, s’observe dans les données et dans les simulations obtenues à partir des modèles de circulation générale de l’atmosphère. Enfin, des études très récentes ont montré que la stratosphère peut aussi affecter les relations entre le climat dans les tropiques et le climat aux moyennes latitudes.

3Cette distinction entre d’une part les effets radiatifs ou chimiques (concernant des interactions entre rayonnement* et molécules ou des réactions chimiques entre molécules), et d’autre part les effets dynamiques, (contrôlés par la mécanique des fluides) est cependant assez académique. En effet, les traceurs comme l’ozone et la vapeur d’eau (mais aussi les autres espèces entrant dans leur chimie) ayant un effet radiatif et/ou chimique dans la stratosphère sont transportés dynamiquement par les vents. Ce transport peut-être de grande échelle via la circulation méridienne dite de Brewer-Dobson, ou résulter d’un mélange turbulent se produisant à des échelles beaucoup plus petites.

Climatologies pour le mois de janvier du vent zonal en moyenne zonale (en couleurs et en m/s) dans l’atmosphère neutre. Le vent est positif dans la moyenne atmosphère de l’hémisphère d’hiver et négatif dans celle de l’hémisphère d’été. Ces jets positifs et négatifs se ferment lorsque l’on s’approche de la mésopause grâce aux ondes de gravité*. Les lignes noires montrent la fonction de courant pour les flux de masse associés à la circulation de Brewer Dobson prédite par l’AGCM LMDz dont le sommet est à 65 km (ligne noire)

4Il est essentiel de noter que ces deux formes de transport sont contrôlées par des ondes produites dans la troposphère qui déferlent dans la moyenne atmosphère. Il s’agit ici d’ondes se propageant dans les fluides neutres produites soit par le mécanisme de rappel lié à la force de gravité agissant sur les parcelles fluides déplacées verticalement dans un fluide stratifié verticalement, soit par le mécanisme de rappel dit « de Rossby » lié à l’existence de gradients de tourbillons dans les fluides géophysiques. Bien entendu ces deux mécanismes peuvent agir de concert, en particulier dans les régions tropicales où ils donnent lieu aux ondes dites équatoriales. Quand elles déferlent, ces ondes déposent la quantité de mouvement qu’elles transportent et accélèrent l’écoulement dans la direction zonale. Aux moyennes latitudes la force de Coriolis* équilibre cette accélération zonale par un mouvement méridien ce qui produit la circulation méridienne de Brewer-Dobson*. Par des mécanismes similaires d’interactions avec l’écoulement d’échelle planétaire ces ondes sont aussi responsables de l’OQB dans les tropiques et de l’OA* dans les moyennes latitudes. Le déferlement des ondes produit aussi la turbulence* qui mélange les espèces mineures.

Impact des ondes de gravité*

5Lorsque l’on essaie d’inclure la moyenne atmosphère dans les Modèles de Circulation Générale de l’Atmosphère (MCGA*) un problème apparaît : la dynamique stratosphérique est en partie pilotée par des ondes de gravité pure, opposées aux ondes planétaires dites de Rossby aux moyennes latitudes ou aux ondes équatoriales dans les régions tropicales. Aux moyennes latitudes, le déferlement des ondes de gravité produit les accélérations nécessaires à la fermeture des jets à la mésopause. Durant les solstices, ces accélérations contribuent au forçage de la branche interhémisphérique de la circulation de Brewer-Dobson qui transporte l’ozone depuis ses régions de production (autour et au-dessus de la stratopause équatoriale) vers les hautes latitudes. Cette circulation méridienne produit aussi, à travers la descente d’air qu’elle induit aux hautes latitudes, un réchauffement de la stratosphère en hiver et aux pôles. De cette manière, les ondes de gravité s’ajoutent au déferlement des ondes de Rossby* pour déclencher les réchauffements stratosphériques soudains se produisant dans la stratosphère septentrionale certains hivers. Dans les tropiques, les ondes de gravité complètent aussi les ondes planétaires dans le forçage de l’OQB. Cependant, bien que les ondes de gravité jouent un rôle très important, leur échelle horizontale est trop courte pour qu’elles soient correctement représentées dans les modèles, ce qui nécessite de les paramétriser.

Modélisation de la stratosphère

6À l’heure actuelle, les ondes de gravité sont paramétrisées pour corriger effectivement les erreurs systématiques des modèles concernant les champs moyens et la reproduction des réchauffements stratosphériques soudains et dans certains modèles pour permettre la simulation de l’OQB. Cette paramétrisation a permis d’inclure des MCGA avec stratosphère dans les Modèles Couplés de Climat (MCC*) entrant dans les simulations destinées au 5e PCRD* (Programme Cadre de Recherche et Développement). Grâce à elle, des modules de chimie stratosphérique ont aussi pu être couplés aux modèles atmosphériques, ce qui nous permet de prédire l’évolution future de l’ozone stratosphérique.

7Parmi les chantiers à aborder dans un futur proche, il y a d’abord celui du lien à établir entre les paramétrisations des ondes de gravité (celles qui ne sont pas produites par les montagnes mais plutôt par la convection ou la frontogénèse* à la tropopause*) et leurs sources troposphériques. Ne pas identifier ces sources empêche en effet les ondes de gravité de varier avec le changement climatique, ce qui limite très fortement les MCC avec stratosphère. Un autre chantier plus diagnostique consiste à évaluer si l’inclusion de la stratosphère nous a permis d’améliorer substantiellement nos modèles couplés de climat. Sur ce point, l’exploitation des simulations du 5e PCRD sera très utile puisque certains parmi les MCC qui y participent ont une stratosphère tandis que d’autres n’en ont pas. Les modèles couplés de climat devront également être prêts à inclure une chimie de l’ozone stratosphérique interactive afin de prédire, entre autres, l’évolution future du climat chimique, de mieux quantifier le rôle du Soleil sur le climat (le signal solaire peut être amplifié par la présence de l’ozone stratosphérique et modulée par l’OQB) et de participer au débat sur le « geo-engeeniring ».

Bibliographie

Références bibliographiques

• D. G. ANDREWS, J. R. HOLTON and C. B. LEOVY - Middle Atmosphere Dynamics, Academic Press, 1987.

• F. LOTT et B. LEGRAS - Dynamique de l’atmosphère et météorologie, notes de cours : http://web.lmd.jussieu.fr/~flott/enseignements.html

Table des illustrations

Légende Climatologies pour le mois de janvier du vent zonal en moyenne zonale (en couleurs et en m/s) dans l’atmosphère neutre. Le vent est positif dans la moyenne atmosphère de l’hémisphère d’hiver et négatif dans celle de l’hémisphère d’été. Ces jets positifs et négatifs se ferment lorsque l’on s’approche de la mésopause grâce aux ondes de gravité*. Les lignes noires montrent la fonction de courant pour les flux de masse associés à la circulation de Brewer Dobson prédite par l’AGCM LMDz dont le sommet est à 65 km (ligne noire)
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Fichier image/, 273k

Auteur

Directeur de Recherche au CNRS, LMD, Paris.
flott@lmd.ens.fr

© CNRS Éditions, 2011

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