Etude des processus stratosphériques
Contact : Mélanie Ghysels-Dubois, Georges Durry et Emmanuel Rivière
Contexte historique
La vapeur d'eau est le gaz à effet de serre dominant dans l'atmosphère terrestre. La tendance en vapeur d'eau dans la stratosphère est un sujet d'intérêt majeur étant donné son influence sur la couche d'ozone et le climat (Shindell et al., 1998; Herman et al., 2002; Loewenstein et al., 2002). Les modèles climatiques montrent qu’une augmentation de l’humidité stratosphérique peut conduire à un réchauffement de la surface du globe ainsi qu’une destruction d’ozone plus importante pendant l'hiver polaire (Shindell, 2001; Dvortsov and Solomon, 2001). En particulier, le climat à la surface est extrêmement sensible aux variations de vapeur d’eau qui ont lieu autour de la tropopause.
La quantité d’eau qui rentre dans la stratosphère est en premier lieu imposée par les températures les plus froides rencontrées par les masses d’air lors de leur ascension lente de la haute troposphère vers la basse troposphère des régions intertropicales. Ces températures sont régulièrement propices à la saturation par rapport à la glace : les cristaux ainsi formés sédimentent et assèchent l’air qui rentre dans la stratosphère. On parle de piège froid (Gettleman et al., 2001). De par leur impact sur la température, d’autres phénomènes sont reconnus pour influencer la quantité de vapeur d’eau autour de la tropopause.Les principaux sont l’oscillation quasi-biennale (QBO) (Giorgetta and Bengtsson, 1999; Geller et al., 2002; Randel et al., 2000; Fueglistaler and Haynes, 2005), les variations interannuelles de l’intensité de la circulation de Brewer-Dobson (BDC) (Randel et al., 2006; Dhomse et al., 2008), la température et la hauteur de la tropopause, ainsi que les ondes générées par la convection profonde.Un autre processus potentiellement important qui joue plutôt un rôle d’humidification de la stratosphère est les pénétrations convectives qui peuvent atteindre la basse stratosphère qui sont appelées overshoots stratosphériques. Ces processus rapides injectent de la glace qui sublime avant de retomber en partie dans la troposphère (Liu et al., 2010a; Dauhut et al., 2015, Behera et al., 2022)., ainsi que d'autres composés, directement dans la basse stratosphère.
Bien que la tendance en vapeur d'eau sur le long terme dans la moyenne stratosphère ait été estimée à 0.6%/an (Scherer et al., 2008), on observe sur des périodes variant de 5 à 10 ans des chutes rapides de concentration suivies de périodes où la concentration retrouve sa valeur d'origine. Pour des niveaux de pression supérieurs, plus proche de la tropopause, le caractère hautement variable dans le temps de la hauteur de la tropopause et de l’abondance en vapeur d’eau dans la haute troposphère et basse stratosphère (UTLS) compliquent considérablement l’estimation d’une tendance proche de la tropopause. Pour finir, il ressort de toutes les études publiées que la tendance observée pourrait être étroitement liée au changement climatique. Il a été démontré que de petits changements dans la quantité de vapeur d’eau dans la basse stratosphère pouvait induire des changements notables dans le bilan radiatif global et sur la température de surface (Solomon et al., 2010; Randel and Jensen, 2013). Il est aujourd'hui constaté que l’augmentation de vapeur d’eau observée sur le long terme ne peut être complètement expliquée par le changement de la température de la tropopause – celle-ci a diminué alors que la quantité de vapeur d’eau a augmenté - ou l’augmentation de la quantité de méthane. Il subsiste aujourd’hui de nombreuses incertitudes quant aux mécanismes physiques, dynamiques ou chimiques prenant place dans la TTL et qui gouvernent à la fois la tendance en vapeur d’eau stratosphérique et la répartition des gaz à effet de serre.
Depuis les années 2000, notre équipe participe à l'effort de recherche autour de l'étude des processus d'échange entre la haute troposphère et la basse stratosphère, en particulier en ce qui concerne la vapeur d'eau. Nos études reposent en grande partie sur l'analyse des mesures insitu obtenues à partir des spectromètres à diode laser de la famille Pico-SDLA, couplées à des observations complémentaires issues de moyens satellitaires ou d'autres instrumentations. L’analyse repose sur des outils de modélisation, en particulier des modèles atmosphériques tridimensionnelles de type méso-échelle.
Les objectifs scientifiques de nos travaux sont :
- L’étude des processus de régulation de la vapeur d’eau stratosphérique et sa variabilité : convection profonde tropicale ou overshoots (e.g. campagnes SCOUT-AMMA, TRO-pico), ondes atmosphériques (campagne Stratéole-2), transports horizontaux, circulation de de Brewer-Dobson ...
- L'étude de la composition/la chimie de l'UT-LS (e.g. campagnes HIBISCUS,SCOUT-AMMA, ENRICHED)
- L'amélioration de l'état de l'art instrumental pour l'observation de variables climatiques essentielles (ECVs).
Les spectromètres de la famille SDLA ont été développés conjointement depuis 1996, dans le cadre d'une collaboration entre le service d'Aéronomie (SDLA et Micro-SDLA) puis le GSMA (Pico-SDLA) et la division technique de l'INSU. Nous avons successivement développé les spectromètres SDLA, Micro-SDLA et Pico-SDLA pour la mesure de vapeur d'eau, de méthane et de dioxyde de carbone dans la haute troposphère et la basse stratosphère (UT-LS).
Les instruments Pico-SDLA ont été éprouvés à travers nombre de vols sous ballons et de campagnes d'inter-comparaison en chambre de simulation (campagnes AQUAVIT1, 2 et 4).
Les spectromètres SDLA sont des spectromètres in situ à absorption directe dans l'infrarouge.
Ils peuvent être lancés ballons stratosphériques ouverts (BSO : Strato-Sciences, ENRICHED, TRO-pico), dont les volumes minimums peuvent descendre jusqu’à 500 m3 (TRO-pico), sous ballons pressurisés pour des vols longue durée (exemple: campagne Stratéole-2), et grâce à un effort constant de miniaturisation, sous ballons légers dilatables (BLD) comme lors de la campagne AsA2022 et la version Pico-light.
La famille d'instruments Pico-SDLA comprend 5 instruments pour la mesure in-situ de méthane, dioxyde de carbone te de vapeur d'eau.
Pour la vapeur d'eau, les hygromètres Pico-SDLA ont été comparés à plusieurs reprises avec d'autres hygromètres lors de vols concomitants. Leur précision de mesure est en moyenne de 130 ppbv (sur 1 s), ainsi dépassant ainsi le seuil défini par le GCOS comme permettant une avancée significative (250 ppbv), à quelques ppbv de la limite idéale (100 ppbv). Ces comparaisons ont montré que les hygromètres Pico-SDLA satisfont aux exigences du GCOS et donc permettent une analyse scientifique pertinente des processus observés.
- Les mesures de Pico-SDLA H2O et de l'hygromètre à point de givre ELHYSA (Ovarlez, n.d.) (LPC2E) sont en accord de 0,8 ± 1,2 % dans la stratosphère polaire(Berthet et al., 2013).
- La comparaison avec l'hygromètre à Lyman-α FLASH-B (Yushkov et al., 1998) (CAO, Russie sont en accord entre 0,5 et 1,9 % dans la tropopause tropicale -TTL (Ghysels et al., 2016).
- Pico-Light H2O (1er vol en 2019) et l'hygromètre NOAA FPH sont en accord en moyenne à 4,8% dans l'UTLS à moyennes latitudes.
Pour le dioxyde de carbone, Pico-SDLA CO2 a été calibré en laboratoire face à un spectromètre de référence LICOR-7000. Le LICOR-7000 est étalonné dans la gamme 0 à 3000 ppmv face à 3 étalons primaires du NIST.
Pour le méthane, Pico-SDLA CH4 permet la mesure de méthane avec un parcours optique multi-passage de 3,5m à une longueur d'onde de 3,3 µm. Dans le cadre de l'ANR BOOST3R (ANR 2017, Laboratoire de Météorologie Dynamique : LMD), nous développons une version miniaturisée de Pico-SDLA CH4 qui répond aux contraintes des vols longue durée de la campagne Stratéole-2, avec une sensibilité augmentée d'un facteur 5. La version d'origine de l'instrument utilisait une source laser à différence de fréquence (DFG), donnant lieu au premier vol sous ballon d'une telle source laser (Ghysels et al., 2011, campagne ENRICHED, Kiruna 2011). Depuis lors, de nouveaux développements sur les sources lasers ont aboutis à la commercialisation de diodes lasers DFB émettant à la même longueur d'onde, simplifiant ainsi considérablement la mise en œuvre de l'instrument.
Pico-SDLA CH4 a été comparé à deux reprises (une en 2011 et l'autre en 2021) à l'échantillonneur d'air cryogenic BONBON à bord de la nacelle allemande TWIN (PI: A. Engel, Univ. of Frankfurt). Pico-SDLA CH4 et BONBON sont en accord à 0,3 ± 2,3 % entre 10 et 180 hPa dans la stratosphère polaire, ce qui correspond à des différences de l'ordre de 2 à 30 ppbv.
Notre équipe participe en moyenne 1 fois par an à des campagnes de mesures, principalement ballon, à travers le monde. Entre 2012 et 2022, notre équipe a organisé 3 campagnes de mesures et participé à 10 campagnes au total. Elles sont pour beaucoup d’entre elles, organisées par le CNES.
Afin de permettre l'étude des processus atmosphériques sus-mentionnés, les observations doivent répondre à des critères de fiabilité et de précision spécifiques selon l'espèce ou le paramètre mesuré. C’est particulièrement le cas pour la vapeur d’eau dans les quantités sont extrêmement faibles autour de la tropopause, en particulier la tropopause tropicale. Des efforts continus de validation et de comparaison sont nécessaires pour y parvenir. Ainsi, notre équipe porte le leadership de la 4ème campagne AQUAVIT et de la campagne ballon AsA2022.
AQUAVIT-4 (PI: M. Ghysels-Dubois) a eu lieu dans le cadre d'un projet soutenu par la commission européenne du programme Horizon 2020 – Research and Innovation Framework Programme, H2020-INFRAIA-2020-1, Grant Agreement number:101008004.
Photo de groupe de la campagne AQUAVIT-4.
Cette dernière campagne s'inscrit dans le cadre du WP11 du projet européen HEMERA H2020 et dans le cadre d'une coopération entre les infrastructures de recherche européennes HEMERA et ACTRIS. A cette occasion, notre nouvel hygromètre, Pico-Light H2O, héritier de l'instrument Pico-SDLA H2O, a été comparé à d'autres hygromètres au sein de AIDA. Les conditions simulées étaient représentatives de la haute troposphère et de la basse stratosphère. Un jury d'experts indépendants a été constitué afin de procéder à l'analyse d'une partie des mesures de la campagne: M. Fujiwara (Université d'Hokkaido, Japon), K. Rosenloff (NOAA CSL, USA) et O. Möhler (KIT, Allemagne).
Au long de cette campagne, des millions de points de mesure ont été collectés et sont en cours d'analyse.
Majoritairement, depuis les années 90, notre équipe porte ou participe àdes campagnes d'observation sous ballons stratosphériques parmi lesquelles, les campagnes THESEO-2000 (Durry and Hauchecorne, 2005), HIBISCUS (Pommereau et al., 2011; Marécal et al., 2007; Montoux et al., 2009), SCOUT-AMMA(Cairo et al., 2009; Liu et al., 2010b), StratoScience, ENRICHED, TRO-pico (Ghysels et al., 2016; Behera et al., 2022; Khaykin et al., 2016).
L'expérience acquise lors des nombreuses campagnes d'observations auxquelles nous avons participé, nous a permis de surpasser les défis techniques liés à la mesure de vapeur d'eau stratosphérique et à la mesure de composés dans les conditions extrêmes de la tropopause tropicale et sur des durées de plusieurs mois continus.
Vidéo site: https://www.facebook.com/watch/?v=1904739652905072
Lien vers des lâchers de la campagne TRO-pico:
https://www.youtube.com/watch?v=1oNMMEbIUgQ
https://www.youtube.com/watch?v=F8GgWbvUp7U
Ces campagnes fournissent une bibliothèque de mesures, qui nous aident à quantifier les processus étudiés. Associés à des observations d'autres instruments ou observations satellites (Aura-MLS, CALIOP, HIMAWARI, ...) et à des simulations numériques (e.g. MIMOSA, CLAMS, BRAMS, analyses ou réanalyses météorologiques ECMWF) qui sont validées par les mesures, nous avons accès à des informations qualitatives et quantitatives qui permettent l’estimation de l’impact de certains processus physico-chimiques et dynamiques sur la composition de la stratosphère ou à l’interface troposphère/stratosphère. L'impact de la convection profonde tropicale sur le bilan en gaz à effet de serre, et en particulier, la vapeur d'eau, représente la une priorité scientifique de nos activités.
Suite au projet SCOUT-O3 et son volet africain SCOUT-AMMA au Niger en 2006 pour lequel nous étudions déjà l’impact de la convection profonde sur la vapeur d’eau (Liu et al., 2010 ; Cairo et al., 2010), nous avons proposé un projet spécialement dédié à cet objectif. Ainsi, le projet ANR blanc TRO-pico (PI: E. Riviere, voir Rivière et al., 2011) avait pour but d'étudier l'impact de la convection profonde tropicale sur le bilan en vapeur d'eau stratosphérique, et particulièrement les pénétrations convectives atteignant la basse stratosphère (overshoots stratosphériques), et ce, à différentes échelles de temps et d’espace. L'estimation des bilans d'eau échangés lors de tels évènements et leur variabilité sont assez peu documentés fautes d'observations (à l’exception de quelques cas au Niger, au Nord de l’Australie, et indirectement au Brésil). Les régions tropicales, et en particulier la stratosphère, demeurent très peu sondées in situ. De plus, de tels évènements prennent place sur des échelles de temps de quelques minutes et sur une étendue géographique très limitée (de quelques kilomètres carré). Ainsi, leur impact est peu détectable par les satellites et peu d'études publiées font état des quantités transportées. Actuellement, l'importance relative de ces processus par rapport au processus de grande échelle, reste difficile à estimer. A ce jour, le peu d’estimations actuelles font état de11 à 18%, et donc ainsi une contribution non négligeable par rapport au piège froid. Dans le cadre de TRO-pico, deux campagnes ballons ont été réalisées durant la saison convective 2012 puis et la saison convective suivante 2012-2013, ainsi donnant lieu à 36 vols de vols d'instruments scientifiques (Pico-SDLA, FLASH-B, sonde COBALD et LOAC) sous ballons de 500 à 1500 m3. Parallèlement, des efforts de modélisation de la fine à l’échelle sub-continentale, ainsi que des analyses satellites à l’échelle de l’Amérique du sud nous ont permis d’avoir accès à des informations que la campagne ballon seule ne pouvait pas documenter.
Les observations réalisées ont ainsi permis d'investir deux des principaux mécanismes de transport en région tropicale: l'injection directe via la convection profonde tropicale et la déshydratation de grande échelle liée à la température. Nos travaux ont permis d'évaluer la capacité du modèle Méso-échelle BRAMS à simuler la variabilité en vapeur d'eau autour de la tropopause (Behera Abhinna K. et al., 2018) à l’échelle d’une saison humide au Brésil, mais aussi d'estimer les bilans d'eau transportés lors d’un événement d’overshoots particulièrement intense et bien documenté par les mesures sous ballon (Behera et al., 2022) avec ce même modèle méso-échelle.
Profils de vapeur d'eau issus des mesures de Pico-SDLA H2O (noir) et FLASH-B (rouge et bleu) dans la TTL et basse stratosphère tropicale le 13 Mars 2012 pendant TRO-Pico. En bas à droite, coupe verticale d'une cellule convective simulée à l'aide de BRAMS, qui est responsable de la couche hydratée à 18.1 km. En haut à droite, écho top par le radar météorologique de Bauru de la cellule convective identifiée à 30 km du ballon.
Une suite de ce travail consiste à forcer dans le modèle BRAMS l’ensemble des overshoots détectés par les satellites sur la même saison humide que celle de TRO-pico et d’injecter dans le modèle les quantités de glace transportées par overshoots estimées par la simulation fine échelle de Behera et al (2022). Cela permettra ainsi de déduire un impact à l’échelle du Brésil pendant toute une saison humide.
L'impact de différentes régions tropicales sur la variabilité de l'humidité stratosphérique est variable. Certaines régions voient leur tropopause plus froide donc plus sèche, d’autres sont plus intense en convection, etc. Ainsi, un des défis actuels est de sonder plusieurs régions de la ceinture tropicale, afin d'estimer la part de chacune de ces régions. Ainsi, notre équipe fait partie du consortium scientifique du projet Stratéole-2.
Stratéole-2 est un projet franco-américain, soutenu par le CNES et la National Science Fundation (NSF, USA). Il implique 14 laboratoires et instituts à travers le monde. Stratéole-2 repose sur 3 campagnes ballon de longue durée dans la tropopause tropicale (2019/2020, 2021/2022 et 2025/2026).
La première campagne (technologique) a eu lieu entre décembre 2019 et février 2020. Pendant cette campagne, un instrument Pico-SDLA (Pico-STRAT bi gaz) a volé sous ballon pressurisé à une altitude entre 18.5 et 19.2 km pendant 80 jours, réalisant ainsi une rotation et demi autour de la Terre. lors de la seconde campagne, quatre de nos instruments ont volés pendant 30 à 55 jours à une altitude comprise entre 18.45 et 20.5 km.
[Vidéo lâché Pico-STRAT H2O/CH4: https://stratocat.com.ar/fichas-e/2021/SEY-20211101.htm]
Ainsi, ce sont plus de 500 000 mesures qui ont été obtenues dans toute la ceinture tropicale, qui vont donner lieu à plusieurs années de recherche. Des mesures quasi-continues de la variabilité de l'humidité de la basse stratosphère tropicale ont ainsi été réalisées de manière totalement inédite. Ces observations ont permis de sonder de façon totalement inédite, l'influence d'ondes atmosphériques de différentes natures (ondes de Kelvin ou de gravité) et de la convection profonde sur le bilan en vapeur d'eau autour de la tropopause tropicale.
Pages Pico-SDLA:
https://dtinsu.prod.lamp.cnrs.fr/spip.php?article55
PagesTRO-pico:
http://stratocat.com.ar/stratopedia/434.htm
Pages AQUAVIT-4 :
https://www.hemera-h2020.eu/aquavit-4/
https://www.actris.net/news-events/news/aquavit-4-international-hygrometer-campaign
Pages Stratéole2 :
https://strateole2.aeris-data.fr/science_objectives/
https://strateole2.cnes.fr/fr/strateole-2-pico-sdla-une-nouvelle-histoire-pour-un-instrument-ballon
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