Stratosph

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Stratosphère Stratosphère

• François Vial
• Laboratoire de Météorologie Dynamique
• Institut Pierre Simon Laplace

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Plan

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

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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)

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Tout commence par des ballons
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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

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Les premiers kilomètres
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Vols non habités (ballon sonde)

• 1892 Hermitte et Besançon
• Teisserenc de Bort enregistreur sous ballon (P,
  T)
• Assman ballon en caoutchouc

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1902 la surprise!

• Teisserence de Bort, Assmann
• La température ne décroît plus au delà dune
  certaine altitude (10-12 km)
• Pourquoi ?

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1902 la surprise!
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Nouvelle technologie

• 1927 Bureau et Idrac radiosondages (Gn. Ferrier))

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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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(No Transcript)
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Ozone (Chapman 1930)

• Formation
• O2 hv -gt O O (l lt 240 nm)
• O O2 M -gt O3 M
• Destruction
• O3 hv -gt O2 O (l lt 310 nm)
• O O2 M -gt O3 M
• O O3 -gt 2O2

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(No Transcript)
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Structure thermique

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Structure dynamique
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Ozone

• 90 de lozone est dans la stratosphère
• Concentration max 6ppmv

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Equilibre radiatif
F
x
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(No Transcript)
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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.

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Le trou dozone
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Le trou dozone

• Déjà présent dans données satellites
• Amplitude du trou croît

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Trou dozone
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Le trou dozone

• Protocole de Montréal (1987) interdiction des
  CFC
• Retour à la normale vers 2050!

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Ozone

• Années 60 cycle de Chapman insuffisant pour
  expliquer la distribution dozone
• X O3 -gt XO O2
• O3 hn -gt O2 O
• O XO -gt X O2
• Bilan 2O3 -gt 3O2
• X NO, OH, Cl, Br
• Ce cycle nexplique pas le trou dozone!

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La chimie hétérogène

• CFC (CFxClx-4) (et composés bromés) introduits
  dans la stratosphère
• Photo dissociation, mais formation rapide
  despèces 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

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Chimie hétérogène

• Espèces réservoirs interagissent à la surface des
  PSC
• HCl ClONO2 -gt HNO3 Cl2
• ClONO2 H2O -gt HNO3 HOCl
• HCl HOCl -gt H2O Cl2
• N2O5 HCl -gt HNO3 ClONO
• N2O5 H2O -gt 2 HNO3
• Réactions très rapides

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Dénoxification/Dénitrification

• HNO3 reste dans particules des PSC
• Particules grossissent et sédimentent
• 2 N2O5 lt-gt 4 NO2 O2
• ClO NO2 M -gt ClONO2 impossible

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Destruction de lozone

• Cl2 hn -gt Cl Cl
• Cl O3 -gt ClO O2
• ClO ClO M -gt Cl2O2 M
• Cl2O2 hn -gt Cl OClO
• OClO M -gt Cl O2 M
• Cl O3 -gt ClO O2
• Bilan 2 (Cl O3) -gt 2 (ClO O2)

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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

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Et la dynamique?

• Imaginée par Brewer (vapeur deau) et Dobson
  (ozone)

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Et la dynamique ?

• Deux grands équilibres à léchelle planétaire
• Hydrostatique
• Géostrophique

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Conséquences

• Hydrostatique
• T augmente en allant du pôle dété au pôle
  dhiver
• -gt 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

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Ondes planétaires
Distorsions de grande échelle de lécoulement
induites dans la troposphère et se propageant
sous forme dondes.
V
Phénomène dhiver !
V
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(No Transcript)
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Déferlement des ondes
Onde sur une plage
Ondes planétaires
ondes
V
Force sur le sable
Force
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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 -gt force vers le
  pole.
• Air poussé vers le pole, aspiré à léquateur et
  repoussé vers le bas au pole

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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 30N, 13 km JET
SUBTROPICAL Au dessus de 16 km et au nord du
maximum de vent VORTEX POLAIRE
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Circulation de Brewer-Dobson
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Circulation de Brewer-DobsonLes ballons servent
encore
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Circulation de Brewer-DobsonLesballons servent
encore
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Oscillation quasi biennale

• 1908 von Berson vent douest
• 1957 AGI

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Oscillation quasi-biennale
Vents à 25 km
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NAM index for 19981999. The lowest level is the
AO index.
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Futur de la couche d'ozone
Température diminue
Plus deau
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Futur

• T diminue et H20 augmente gt plus de PSC gt
  destruction plus forte de lozone
• T augmente au sol gt Plus dondes gt tourbillon
  plus faible gt moins de destruction dozone
• Quel scénario ???

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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

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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