Dynamique stratosphérique

Généralités :

C'est une couche de l'atmosphère, située entre 9 km (aux pôles) et 20 km (à l'équateur) pour sa base et 45 à 60 km pour sa limite supérieure que l'on nomme la stratopause.

La base de la stratosphère commence donc au dessus de la tropopause qui marque la transition entre la troposphère et la stratosphère. On définit en général cette transition par la cassure du profil vertical thermique moyen de l'atmosphère:

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En fait, chaque couche est définie par une cassure de ce profil de température . Dans notre cas, la température en troposphère subit une baisse (en moyenne) constante jusqu'à 8-9 km d'altitude pour les pôles et 18 -20 km pour l'équateur. Ensuite la température adopte un profil isotherme (elle ne varie quasiment plus sur une certaine épaisseur), puis repart à la hausse.

La couche isotherme, celle où la température ne diminue plus, mais n'augmente pas franchement non plus, est due à un apport de chaleur par conduction de la couche d'ozone au-dessus.
Ensuite, vers la moyenne et haute stratosphère, la couche d'ozone qui s'y trouve réchauffe plus fortement l'air. Elle est responsable du profil croissant de température jusqu'à la stratopause .

La pression dans la stratosphère est également plus basse que celle en troposphère. Ceci est logique, car plus on monte, plus la pression diminue, car la gravité force l'atmosphère à être attirée vers le bas. L'essentiel de la masse est donc en basse atmosphère.

L'ozone stratosphérique :

Vous l'aurez remarqué sans doute, mais la stratosphère est la couche qui contient l'ozone (ozonosphère). Cette couche est produite par des réactions chimiques associées au rayonnement solaire.

Pour faire simple : vous prenez une molécule de dioxygène (2 atomes d'oxygène : O2), et vous vous mettez assez haut pour recevoir un rayonnement solaire très énergétique. Vous attendez que le rayonnement divise cette molécule et libère les 2 atomes... Les atomes d'oxygène sont très peureux. Ils ne restent jamais seuls et cherchent toujours à se rattacher à une autre molécule. Un des 2 atomes libérés s'attachera à une autre molécule de dioxygène formant une nouvelle molécule : L'Ozone -> 03.

C'est cette réaction qui produit l'ozone dans la stratosphère, couplée à une autre réaction naturelle destructrice, qui s'équilibrent pour que l'ozone ne soit pas trop important, ni déficitaire (Malheureusement nous les humains on fout un peu le bordel là-dedans en bombardant l'atmosphère de plein d'autres molécules qui se rangent du côté des destructeurs d'ozone).

La circulation Meridienne de Brewer-Dobson en stratosphère :

Etant donné que le rayonnement solaire qui arrive toute l’année est bien plus énergétique aux tropiques et à l'équateur qu'aux pôles, les 3/4 de l'ozone sont fabriqués dans la stratosphère tropicale. Étrangement, la stratosphère tropicale, malgré son usine à fabrication d'ozone, en possède moins que les pôles en moyenne.
L'explication est qu'il existe une circulation qui redistribue l'ozone dans toute la stratosphère (avec une concentration en ozone maximale en moyenne et haute stratosphère) : c'est la circulation de Brewer-Dobson (bien plus active dans l'hémisphère d'hiver).

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L'oscillation quasi-Biennale :

C'est une oscillation qui se met en place dans la stratosphère tropicale, et qui alterne entre une phase Ouest et une phase Est des vents zonaux stratosphériques.
Les différentes phases se propagent par le haut, d'environ 30 km, vers le bas jusqu'à peu près 20 km.

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Les vents d'Ouest en Rouge et d'Est en Bleu. On remarque bien les différentes phases et leur propagation vers le bas qui alternent entre elles sur une durée d'environ 25 mois à chaque fois.

Lors de la phase d'Est de la QBO, la circulation de Brewer-Dobson est accélérée, mais ralentit si la QBO est en phase d'Ouest.

Cette oscillation est assez complexe et n'a pas encore révélé tous ses secrets. On peut simplement dire qu'elle est due à une propagation des ondes de gravité et de certaines autres ondes plus énergétiques, vers le haut. Ces dernières proviendraient de la convection tropicale. Ces ondes une fois propagées vers le haut, déferleraient en moyenne stratosphère, causant l'inversement et la propagation des vents zonaux vers le bas.

Voilà ce qu'on pouvait dire pour faire un rapide tour d'horizon de la stratosphère.


Notre stratosphère voit arriver chaque année son ami le Vortex polaire stratosphérique au pôle de l'Hémisphère d'Hiver. Elle le voit aussi partir chaque année au pôle de l’hémisphère d'Eté.

Le vortex polaire stratosphérique : 

Pour visualiser ce que c'est que ce VPs (Vortex polaire stratosphérique), ce n'est pas bien compliqué. C'est une grosse masse d'air froid qui tourne dans le sens cyclonique en basse et moyenne stratosphère au pôle de l'hémisphère d'Hiver.

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Le VPs antarctique est beaucoup plus stable et durable que celui du Pôle Nord. Ceci est du au fait que dans l’hémisphère Sud, la distribution des terres et des montagnes est plus homogène. L'activité ondulatoire est donc moins forte, et il sera d'autant plus difficile de déranger la bonne forme du Vps antarctique.

Si vous avez suivi l'explication sur pourquoi la strato' se réchauffe avec l'altitude, vous comprendrez pourquoi lors de l'hiver de la nuit Polaire, ce n'est plus le cas.
La stratosphère se réchauffe "normalement" grâce à l'absorption des Uvs par l'ozone. Cela ne marche que s'il y'a du soleil. Lors de la nuit polaire, la stratosphère n'absorbe plus d'Uvs et donc se refroidit considérablement.
Cela forme donc une grosse masse d'air froid qui s'effondre (le froid c'est dense). Par la relation du vent thermique pour ceux qui connaissent, on a la formation de vents d'ouest en périphérie du Vps.
Voilà comment on se retrouve avec une zone glaciale dans la stratosphère polaire qui tourne sur elle même cycloniquement.

Les effets du vortex polaire sur le trou de la couche d'ozone : 

Le trou de la couche d'ozone est perceptible en Hiver et au printemps seulement. Cela tient au fait qu'il est du au vortex polaire qui, combiné à nos largages de molécules destructrices, condamne l'ozonosphère à voir apparaître un trou (essentiellement dans l’Hémisphère sud d’ailleurs, là ou le Vps est le plus puissant).
En effet, ces molécules atteignent en quelques années de très hautes altitudes où elles sont transformées par le rayonnement et d'autre processus chimiques, et libèrent du chlore, du brome et d'autres variétés qui sont des ennemis jurés de l'ozone.

Maintenant que ces agents chimiques sont libérés, il leur faut être activés. D'abord, quand il fait suffisamment froid (-80°), des nuages stratosphériques polaires se forment. Ils permettent alors de capturer sur leurs cristaux de glace nos agents destructeurs. Ils seront libérés efficacement lorsque la fin de l'hiver arrivera... Effectivement, le rayonnement solaire va permettre de libérer ces molécules dès son retour vers la fin de l'hiver/début printemps (ceci explique que le trou de la couche d'ozone ait lieu en fin de l'hiver/début printemps). Une activation photochimique va permettre à ces molécules de réagir avec l'ozone, de façon à le détruire de manière efficace.

Vers la fin du printemps, la stratosphère se réchauffe et les nuages stratosphérique polaire disparaissent, ce qui laisse nos agents destructeurs sous forme dite inerte. La destruction de l'ozone s'arrête, en attendant la fin de l'hiver prochain ...

Notre Vps rassemble donc des conditions idéales pour détruire l'ozone :
1) Des températures glaciales, puis l'arrivée d'un rayonnement solaire important à la fin de l'Hiver.
2) Il isole la masse d'air polaire et empêche que du nouvel ozone soit importé des tropiques, ce qui réduirait considérablement le processus de destruction de l'ozone.
3) Le réchauffement du Vps au printemps conduit a la destruction du Vps, au réchauffement de l'air et donc à la disparition des nuages stratosphériques. Cela conduit aussi à un nouvel apport en ozone venant des tropiques : la couche d'ozone se répare.

Tout cela explique pourquoi le trou dans la couche d'ozone est effectif au pôle sud essentiellement, et pourquoi il est seulement présent fin hiver/ début printemps.

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Pour les curieux voici le processus chimique de destruction de l'ozone :

1) La molécule de dioxygène (O2) est divisée en 2 atomes d'oxygène (O).
2) Un atome d'oxygène (O) se combine à du dioxygène (O2) pour former l'ozone (O3).
3) Cette réaction s'accompagne d'une perte de masse, libérée sous forme d'énergie cinétique d'agitation moléculaire (ce qui explique le gradient positif de température en stratosphère).
4) Les molécules d'ozone formées sont à nouveau détruites par le rayonnement, ce qui amène à l'apparition de dioxygène et d'un atome d'oxygène, à nouveau.

Ceci est un processus naturel de destruction de l'ozone.

L'autre processus qui détruit l'ozone au pôle et forme le trou est d'origine anthropique :

1) Une molécule à base de chlore ou de brome fusionne avec une molécule d'ozone. L'agent destructeur arrache un atome d'oxygène à l'ozone, puis en chope un deuxième.
2) Après une certaine réaction, on aboutit à la fusion d'un atome d'oxygène avec une molécule d'ozone.
3) On arrive donc à la destruction de la molécule d'ozone, alors que notre agent destructeur n'est pas consommé par la réaction chimique catalytique. On a donc une grosse domination des molécules destructrices dans le tas.
Il n'ya pas photo, l'ozone ne résiste pas longtemps tant que la situation perdure.


Venons en au vif du sujet, les SSW ("réchauffement stratosphérique soudain" en français).

Généralités : 

Il n'est pas difficile d'en déduire que ce sont des évènements dans lesquels la stratosphère se réchauffe de manière plus ou moins prononcée.

Déjà, on distingue 2 types de SSWs différents :

- Les mineurs qui sont des réchauffements qui ne sont pas très importants, qui peuvent parfois être avortés et qui ne renversent pas (ou presque pas) les vents zonaux en stratosphère (qui sont d'Ouest pour un VPs concentré).
Le gradient thermique général n'est pas renversé lors des SSWs mineurs.

- Les majeurs, qui sont beaucoup plus costauds. Ils provoquent un renversement des vents zonaux (qui passent de vents d'Ouest, à vent d'Est) et un renversement du gradient thermique (on passe de Froid/chaud [1] pour un VP concentré à Chaud/froid [2] pour un vortex explosé).
Les termes de chaud et froid étant relatifs tout de même. ^^

[1]

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[2]

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Pourquoi la stratosphère subit des coups de chaud ?

Cela provient du fait que l'atmosphère est très ondulatoire. Quand des ondes de grandes proportions pénètrent dans la stratosphère, l'apport de chaleur (eddy heat flux) par ces dernières provoquent un réchauffement du VPs.
Plus l'eddy heat flux est important, plus le transport de chaleur entre deux niveaux de pression est rapide. Cela représente donc bien la propagation des ondes. Pour rappel, une onde transporte de l’énergie.
Il y'a aussi un apport de flux de mouvement (eddy momentum flux) qui n'est pas à négliger.
En gros, cela représente l'apport de mouvement zonal du vent par la direction méridienne (Nord/sud). La convergence des momentum flux signifie que le flux zonal décélère, inversement pour la divergence des flux de moment.

Pour en revenir à nos moutons, il existent plusieurs types d'onde :

- L'onde n°0 qui correspond à un Vps au top de sa forme. Il n'y a (quasiment) pas d'ondulation à sa périphérie d'ou le 0 pour préciser qu'il n'y a aucune onde majeure.
- L'onde n°1 correspond à une répartition de 1 creux et 1 dorsale qui alternent.
- L'onde n°2 correspond à une répartition de 2 creux et 2 dorsale qui alternent.

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Cela peut monter ainsi jusqu'à des ondes n°7 en troposphère, et des ondes n°3 en stratosphère.

Quand des ondes débarquent en stratosphère, cela peut soit venir d'un forçage par le haut de la stratosphère, soit d'un forçage par le bas de la troposphère. Une fois que cette ou ces onde(s) ont libéré leur énergie dans la stratosphère, cette dernière va se réchauffer. Ce réchauffement en un point de la stratosphère conduit ce point à être plus chaud que l'air alentour. Cela forme une bosse (haut géopotentiel) et donne naissance à des vents anticycloniques autour du point de chauffage (d'après la relation du vent thermique, le vent souffle toujours dans la direction tel qu'il laisse ainsi le froid à sa gauche et le chaud à sa droite).
On a un anticyclone stratosphérique qui se forme. Dans les SSw majeurs, cet anticyclone (ce réchauffement) se généralise à tout le VPs qui disparaît et laisse place à un anticyclone polaire stratosphérique avec des vents d'Est et un inversement du gradient thermique généralisé.

Pour expliquer la propagation sur la verticale des ondes atmosphériques on a à faire à 2 modèles qui marchent tous les 2 : le modèle barotrope (conservation du tourbillon absolu) ou le modème barocline (conservation du tourbillon potentiel et mouvements verticaux).

J'ai pris les cartes de T10 pour montrer le gradient thermique qui change, mais en principe on regarde d'autres cartes plus importantes pour analyser un SSw ( Z10, eddy heat flux ..).

Les différents impacts des SSw sur le Vps : 

Suivant le type de SSW, ce réchauffement peut favoriser soit un displacement event ((a) faire déplacer le VPs), soit un splitting event ( b) coupé le VPs en 2).

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On peut aussi avoir des cas avortés de réchauffements (mineurs) comme dit plus haut, dans lequel les ondes vont se contenter de déferler à la périphérie du vortex, entretenant ainsi ce dernier, voir même en le renforçant. Cette zone en périphérie du vortex polaire s'appelle aussi la surf zone.

Les impacts en troposphère lorsque l'on a un splitting event ne sont pas les mêmes que lorsque l'on a un displacement event. Le displacement tend a favoriser un régime zonal en troposphère (tout comme le VPs concentré), alors que le splitting event favorise les flux méridiens (d'où le fait d'avoir plus de chance d'avoir une vague de froid etc..).

La NAM & l'AO :

Bon, pour aborder une autre partie du sujet il va falloir se familiariser avec la NAM (Northern Annular Mode) et l'AO (Oscillation Arctique).
Dejà, l'AO c'est la même chose que la NAM. Si vous voulez, l'AO est le reflet en surface de la dynamique de la haute troposphère et de la stratosphère (sous-entendu de la NAM). Pour simplifier on dit souvent qu'on utilise l'AO pour la troposphère et la NAM pour la stratosphère.

L'AO est un EOF qui détermine la variation de pression entre le pôle et 20° de latitude. Lorsque le gradient est supérieur à un niveau défini au préalable entre le Pôle et 20°, l'AO est dans sa phase positive. Inversement, elle est dans sa phase négative si le gradient de pression est plus faible.

Pour le NAM, c'est aussi une oscillation caractérisée par des changements nord-sud de masse atmosphérique (donc de pression).
Concrètement, un NAM positif représente des géopotentiels plus bas au pôle et plus élevés aux moyennex latitudes.
La phase positive correspond aussi à une anomalie positive des vents d'Ouest au moyenne latitude (logique car le gradient Nord/sud de pression est plus fort). Cela a tendance à favoriser le Zonal et le flux de Sud-ouest.

Une anomalie négative signifie que les géopotentiels au pôle sont plus élevés, et plus bas aux moyennes latitudes. Cela conduit le gradient de pression à diminuer, le jet ralenti et favorise les oscillations méridiennes. C'est pour cela que des décrochages de NAM - sont intéressants à suivre pour les hivernophiles lorsqu'ils se propagent jusqu'en basse troposphère.
Quand on parle de décrochages, on parle de la propagation vers le bas des anomalies + / - du NAM.

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Une illustration de la NAM avec cette image (c'est pareil pour l'AO).
A gauche une NAM +, à droite une NAM -.

Quelle différence y'a t'il entre l'AO, la NAM et la NAO ?

Pratiquement aucune.

C'est un tout, mais à différentes échelles ou altitudes.
La NAO est un vision locale de l'AO, et l'AO c'est la même chose que la NAM, mais en troposphère
 (petite précision quand même, l'AO est calculé par un différentiel pression/géopotentiel Pôle/20° alors que la NAM c'est pôle/50°).

Après il peut y avoir des cas hybrides où l'on a une NAM positive, mais une AO négative. Cela arrive quand la NAM n'arrive plus à se propager vers le bas.

On peut voir de tels cas ici :

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En bleu ce sont les valeurs positives de NAM, en rouge les négatives.
Sur l'axe de gauche, l'altitude en coordonnées de pression.
L'axe zonal montre l'axe temporel d'octobre à avril.

Je pense donc que vous aurez compris qu'un Vortex polaire concentré est lié à du NAM positif. Le gradient de température/pression entre le pôle et 20° est fort et conduit à un fort jet et un flux d'Ouest dominant, ce qui rend difficile l'opportunité des vagues de froid à débouler vers le sud.
Lors des puissants SSW, le vortex est affaibli et donc le gradient de température/pression entre le pôle et 20° est diminué, d'ou l'apparition d'un NAM qui devient négatif. Ainsi le jet ralenti, les mouvements méridiens (poussées subtropicales, mais aussi coulées polaires) sont favorisés.

Tout cela marche bien lorsque la NAM et l'AO sont corrélés (donc lorsque la NAM se propage bien jusqu'en basse troposphère. En général c'est le cas lorsque l'on a de puissant SSW ou un puissant VPs).
Dans les phases de transition d'une NAM + vers une NAM - par exemple, il faut un temps (environ deux semaines) pour que la basse et moyenne stratosphère ainsi que la troposphère soient corrélées. Enfin, il existe aussi des cas où la NAM ne se propage plus à un certain niveau, et là ça devient compliqué, car il ne faut pas oublier qu'il y'a des facteurs externes à tout ça qui jouent dans le tas aussi et peuvent ne plus rendre cohérent ce qu'on vient de dire jusqu'à présent (facteurs internes à l'atmosphère bien sûr, mais externe au Vps. Par exemple la MJO, la PNA..).

La NAO et l'AO peuvent aussi évoluer différemment mais dans notre explication simplifiée, on se met donc dans le cas ou la NAO et l'AO évoluent dans le même sens.


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