Thèse No 4594 Utilisation de l'ozone traceur des comme entre la atmosphérique troposphère échanges et la stratosphère Thèse présentée à l'Ecole Polytechnique Fédérale, Zurich pour l'obtention du grade de Docteur es sciences naturelles par ALEXANDRE PIAGET, math. né le 11 des Bayards, juillet dipl. EPF 1922 canton de Neuchâtel acceptée sur proposition du professeur Dr Hans Ueli Dûtsch, rapporteur du professeur Walter Kuhn, corapporteur 1970 Zurich SATEGRA (A. & M. Hochmann) - Coupe verticale Dakar 42 Fig. — Nowaja Semija, Isentropes, Isotaches, _._._._. piques 340°K de 240 mb, jet se des relèvent également trouve du une en Isothermes, K en Tropopauses noeuds situées au-dessus est isentropiques s'écartent direction de l'équateur; une caractéristique de la circulation C conventionnelles des échanges discutés générale, particulièrement des autres forme d'éventail. Ces stream en direction de stream. Dans les divers cas traités dans cette pôle nord en ce tra¬ région unes en dessous, elles continuent de s'abaisser. Cette division en du dernières, au-dessus les surfaces. Sur les surfaces se re¬ étude, dont trois elles sont discutés ici, les distributions observées d'ozone interprétation. A propos de cette coupe verticale, il est nécessaire de faire la remarque que les conditions nage du dans dans la sur ces s'éloignent isentropiques inférieures, l'équateur. Au-dessus, elles confluent, partant des tropiques et des pôles, vers le jet dans les trajectoires sont en accord avec cette - du 17 février 1967, 00 tu. propriétés fondamentales stream où les surfaces jet en et inférieures de celles vail. Elle reflète en 62 dessous du niveau de 100 mb ne sont pas typiques de cette région. représentées En se au voisi¬ référant à la fi¬ 13, dans la figure 42 s'intercale, entre Stockholm et Nowaja Semija, la structure verticale d'une dorsale anti¬ cyclonique. La répartition des températures, avec un minimum prononcé (-77°C) vers 160 mb, y est caractéris¬ tique d'un anticyclone des régions tempérées. Au-dessus de 100 mb, les conditions révélées par cette coupe peu¬ gure vent être la 7.2. exemple, l'air re — comme représentatives des régions polaires (voir les cartes synoptiques correspondantes de Conclusions. De cet — considérées figure 13). qui àThalwil, des celui il est possible de conclure que: le 17 février 1967 à 09 tu, se trouve entre 160 mb et 145 mb, est troposphérique et originai¬ tropiques, qui est compris dans la tranche située au-dessus du niveau de 130 mb, est vraisemblablement stratosphé- 63 rique - et originaire de la basse stratosphère tropicale, première tropopause stratosphère polaire. celui surmontant la de la L'air qui dans le sondage de Thaiwil est au - et compris compris entre 290 mb et 200 mb est stratosphérique originaire dans la tranche allant de 160 mb à 145 mb, ne s'est pas étendu, nord, au-delà de la ligne marquant la partie la plus basse de la surface isentropique correspondante. En effet, il ne se retrouve pas dans les montant, mais cet air est comme observé plus sphère tropicale la haute la radiosondages faits au se trouve nord que le premier. plus fréquemment troposphère tropicale. vant la région à la formation L'exemple jour du Golfe du en la surface Ceci est du 8 avant à mars ou isentropique général, Il de même de l'air en va est plus septentrionale météorologiques où une en premier, soit le Europe 1967, d'une situation analogue, que celui ces airs sont surmontant ces est intéressant du fait d'Amérique. Cela correspond contrées. qu'un sondage a déjà été exécuté le Thaiwil permettant d'observer le début de l'arrivée d'air tropical. Fait à l'intérieur de l'anticyclone le couloir dépressionnaire en altitude, le radiosondage du 7 mars révèle que l'air stratosphérique tropi¬ déjà présent (entre 180 mb et 100 mb) (fig. 43). L'air troposphérique tropical ne s'observera que le 8 mars, entre 150 mb et 120 mb (fig. 44). 1 1\ mb Station 1 10 1\\ 1\\ 20 > 50 1967 nfiso Z Total Ozi 291 Integrated Ozone 258 33 Residual Ozone Corr. Factor Additional Remark! 30 \^ \ km ^^ 25 ^\^0 \\ 100 3 7 Time \\^ / Thaiwil _ Date l\\ 2 ^\^S 20 - ^^t 15 200 ^^\£ - 10 \ 500 ^Ç£ v < 1000 Ozone -80° 43 sur¬ poussée d'air polaire atteignant quelques jours aupara¬ précédent cal est le précédente, originaire de soient les deux de pour le moins l'extrême sud des Etats-Unis long couloir dépressionnaire tropical que la l'air provenant des basses couches de la strato¬ au-dessus des latitudes moyennes Les situations Mexique altitude d'un partie. nord de cette au partie la plus basse de observés au-dessus du continent, sont caractérisées par Fig. et (>imb) -60° Radiosondage d'ozone et de ^ 0 50 100 150 -40° -20° 0° 20° température de Thaiwil, du 7 mars 1967. 200 40°C 250 - 1 l\ l\\ mb 2 l\\ 5 J 10 > 20 \\ l\\ l\\ < \ 50 - Station Thalwil . Date_JS a 1367 i?anz Time Total Oz vie 288 Owvie Integrate ri \ 2S8 30 Residual Ozone Corr. Fac tnr Additionc 1 Remark! \ 30 \ \^ ^ km ^ - ^\^0 25 ^ ^\^ - 20 - 100 64 15 ^"^t 200 ^ 500 Ozone -80° (>imb) -60° Radiosondage d'ozone 44 ^"^5 et de 0 50 100 150 -40° -20° 0° 20° température Cette succession de tranches d'air ayant chacune particulière - - 10 5 ^^ 1000 Fig. ^^^/^ de cet élément observée dans ces de Thalwil, du 8 son mars 200 250 40°C 1967. propre contenu d'ozone explique la distribution verticale conditions et qui présente généralement un minimum vers 150/100 mb. le minimum de la pression partielle de l'ozone tombe en dessous de 30 jumb, l'air tropical est générale¬ d'origine troposphérique. Pour des valeurs supérieures du minimum, il proviendrait de la basse stratosphère Lorsque ment tropicale. 8. Esquisse schématique des échanges entre la troposphère et la basse stratosphère traités dans cette étude démontrent la grande valeur de l'ozone tel qu'il est mesuré par les radiosondages, atmosphériques dans la troposphère et la basse stratosphère. Seuls les échanges entre ces deux parties de l'atmosphère ont été considérés puisque l'ozone peut y être regardé comme un consti¬ tuant stable dont la concentration ne dépend pas de facteurs externes. Avec une bonne connaissance de la théo¬ rie photo-chimique de l'ozone, il sera possible d'étendre ce genre d'analyse à celle de la circulation des couches supérieures de la stratosphère puisque les radiosondesdu réseau international atteignent assez régulièrement le ni¬ veau de 10 mb, voire le dépasse. Les cas comme traceur des mouvements 65 - Ainsi qu'il a été particulièrement fréquence de leurs lancers température, des informations l'échange rapide semble des qui empêche étude une valable pour l'étude de la structure feuilletée de détaillées de l'ozone et de la mesures avec dans cette étude, c'est moins la densité insuffisante du réseau de parfois remarqué d'ozone que la faible - l'atmosphère qui des demande radiosondage en restriction et sans non comme des complément espérer que électroniques, l'en¬ et leur traitement par ordinateurs météorologiques Ceci est particuliers. cas celles simultanées de l'humidité et du vent. Il est à d'un sondage pourra être transmis mesures plus détaillée c'est le cas aujourd'hui, par messages codifiés. Avec les moyens modernes, il peut être entrevu sphère particulier en de la ceux troposphère des transformations de surfaces à niveau de chapitre précédent, la diversité d'origine du 17 février 1967 n'est pas journée traceurs, conduira, à notre avis, à ment. Ce n'est que de cette informations qui giques, l'atmosphère. pression constante, mais compréhension pourra être tiré des l'ozone n'est Pour mieux et de stratosphère à vouloir la définir échanges la non pas seulement de l'étude trajectoires réelles. échanges d'énergie des images que Au n'est le ce cas des actuelle¬ reçues de satellites météorolo¬ interprétable comprendre le rôle que qu'en correctement les jouent échanges étant la limite entre la troposphère parties de l'atmosphère excluent entre ces deux stratosphère entre la générale, toute définition de la qu'une une et la tropopause satisfaire et il vaut mieux troposphère, La dernière, complexité et l'atmosphère ne sera la notion actuelle garder y a-t-il un sens la diversité des telle que l'actuelle. La conclusion simple meilleure connaissance du comportement de ne saura et la il faudra revoir les notions de tropo¬ stratosphère? définition structure feuilletée compte de la tenant ainsi que celle de la tropopause. En revenant brièvement à cette comme réaliste est quêtant plus ble, partant par la méthode des pleinement parti tels que les révèle cette distribution de l'ozone, dans la circulation sphère en exceptionnel. Cette méthode des trajectoires, combinée à l'étude meilleure façon qu'il stratosphère, des mouvements de l'atmo¬ ne sont pas encore directement utilisables. répartition spatiale de La de et de la basse des airs dont la rencontre fortuite s'est faite au-dessus de Thalwil dans la un cas une façon d'aborder l'étude nouvelle une en pas disponi¬ sachant ses limites. En conclusion, allons essayer de faire nous à la façon d'un sphère l'homme ayant vécu à archéologue qui sur La structure feuilletée de l'atmosphère, guère vertical tants semblent être que convectifs et ne échange nette irvtertropicale, l'étalement les nuages stratifiés postulé Les se par le modèle échanges zone lesquelles il n'est sur et de entre la présentent position où il y a jet du réseau streams conflit de en stratosphère température des troposphère et un la basse strato¬ tableau de la vie de dans la s'eloignant qui zone de leur y sont révélés sont possible d'estimer couches superposées la en C'est ce dans la troposphère, de convergence et dans organisés proportion des au en conglomérats la une zone images de masque de nuages convectifs. Observés glissement ne impor¬ que tendent à confirmer les prédominance stratifiés. Dans opposition en estompée les mouvements verticaux intertropicale source. des enclumes de cumulo-nimbus pas peu troposphère, du front chaud tel d'avion, qu'il est norvégien. l'une par rapport à l'autre. la entre la stratosphère, quelque localisés, sauf obtenues de satellites artificiels: les nuages grandes étendues dans la travers des couches. Dans la au moindre mesure, à l'intérieur des airs froids convergence échanges l'époque. favorise un bref tableau des un les bribes laissées par le temps, essaie de brosser masses et la européen, L'ampleur qui troposphère, y sont et se tels que nous avons pu les déceler à l'aide des font, suite à des mouvements advectifs, par l'étendue de ces échanges sont sondages d'o¬ glissement de couches, conditionnées par l'activité cyclonique et associés; c'est-à-dire qu'ils prennent naissance (ou leur départ) d'air. Etroitement associés jet polaire au ou, lorsque les deux tendent à aux se latitudes confondre, jet streams polaire et subtropical, il serait logique de supposer qu'ils soient également associés au jet stream subtropical seul. Une première statistique des maxima troposphériques de "forme pointue" de l'ensemble mon¬ aux dial du matériel que nous avons eu à disposition (limité pour les sondes extra-européennes au matériel américain) tend à confirmer cette idée. L'ampleur des déplacements verticaux que subissent les parcelles d'air participant à ces échanges dépend en pre¬ mière approximation de la topographie des surfaces isentropiques (voir p. ex. f ig. 42). Les valeurs du rapport de mélange mesurées dans les maxima de "forme pointue" (et en première approximation également la température potentielle de l'air dans férieure de la lequel ils sont dre directement (et non par brassage même). Pour les parcelles situées sur à quelques kilomètres d'extension, les différentes (fig. 38) observés) indiquent stratosphère polaire jusque du 14 régions au de ces 17 février 1967, les niveaux turbulent que seules les parcelles d'air provenant de la partie 310/320°K (except. jusque subséquent) les surfaces en surfaces vers vers 340°K) in¬ peuvent attein¬ les basses couches de la isentropiques >340°K, les troposphère (voire le sol déplacements verticaux restent limités première approximation aux différences de hauteurs que peuvent atteindre isentropiques. Par exemple, la surface isentropique 350°K se maintient entre 250 mb (env. 10500 m) et 150 mb (env. 13500 m). 66 - A la suite d'une poussée méridionale d'air froid voire débute. Au polaire ces le voisinage de la venant des latitudes barocline frontale zone - en polaires, l'activité cyclonique se renforce, formation, l'air des basses couches de la stratosphère partiellement entraîné dans la troposphère tropicale par minces couches se mouvant le long des surfa¬ en fonction de l'intensité du développement cyclonique en cours. Elles passent progressivement sous est frontales stream. Ces intrusions jet souvent stratosphériques dans du sol où l'ozone près la troposphère s'étendent vers les latitudes inférieures finissant est détruit et où les débris radioactifs entraînés tendent à s'accumuler. transporté La faible humidité qui les caractérise n'est pas due uniquement à la subsidence, mais aussi à la d'eau de l'air également stratosphérique. A chaque poussées valable pour les nouvelle se poussée produisant à l'intérieur près du jet stream, il se trouve accéléré région nalement atteint la activation de par du front polaire où il vers la région du front polaire où, en arri¬ compensation accru1). Il finira par surmonter couche d'épaisseur variable d'air stratosphérique une dans la zone l'expulsion partie supérieure de la troposphère de la supérieures d'air une vapeur mouvement de en un l'air troposphérique polaire dont il se trouvera séparé d'origine polaire. Suite à une recrudescence d'activité l'arrivée d'air polaire, correspond en de l'air froid lui-même. Suite à cette évolution, de l'air tropical est progressivement entraînés vant pauvreté d'air froid s'associent de nouvelles intrusions. Ceci est ou intertropicale de convergence déclanchée par plus justement de l'expansion vers les latitudes et des couches surmontera la inférieures de la stratosphère. Cet air fi¬ tropopause de l'air froid. trajectoires isentropiques confluant vers la région située au nord du jet stream, cet échan¬ l'air de paraît stratosphérique polaire passe continuellement dans la troposphère remplacé incessam¬ perpétuel: ge ment en partie, au-dessus, par une advection d'air troposphérique et stratosphérique venant des tropiques. Ces échanges ne sont pas limités à une interaction entre la troposphère et la stratosphère, mais peuvent se produire Ainsi que le montrent les également entre les deux tration d'ozone à Dans les par la même activité teillement polaire la et la cyclonique régnant travers de la au aux latitudes doivent ces échanges ne se localiser avant tout dans la se quasi-négligeables apports les tropicale (qui répartitions ne dus aux font pas et la zone moyennes de la couverture nuageuse, telles météorologiques et d'Amérique, confirment les variations de la concen¬ ticaux dans la trusions d'air cette des pertes et gains. Le sont, dans ce Les mouvements verticaux intertropicale de convergence convectifs. C'est ce se au essen- postuler un travers de la (fig. 45, partie supérieure), que prouvent les température potentielle qu'elles modèle, mêmes niveaux, il est nécessaire de trajectoires isen¬ dans la haute troposphère font le long d'adiabates humides). En effet, les sont déduites des images journalières prises par par l'Environmental Science Services Administrations des hypothèse puisqu'elles présentent deux bandes de forte nébulosité: une région des perturbations mobiles. Les mouvements ver¬ intertropicale stratosphère inférieure, près stratosphérique d'échanges projection aux équilibre d'échanges qui de convergence, l'autre la couvrant la zone tent la publiées régulièrement il doit y avoir genre que si les mouvements verticaux les satellites Ce schéma l'indiquent stratosphère. autres mouvements répartitions Etats-Unis ce nuageuses et les valeurs élevées de la possibles sont tempérées, tropopause n'est pas nécessaire à isentropiques. Puisque troposphère tropiques, que sont compensées par l'arrivée d'air troposphérique et perturbations mobiles. Comme ces déplacements sont conditionnés suite à l'activité des transport vertical quelque part dans la troposphère avec tropicale, ainsi traités, les pertes d'air stratosphérique polaire cas stratosphérique tropical, suintement stratosphères, niveaux. ces des dans la entre la du jet stream, sont subsidents, par affaissement accompagnant les in¬ troposphère. troposphère et la basse trajectoires isentropiques sur le stratosphère est reporté à la figure 45. Les flèches représen¬ plan perpendiculaire (ici plan méridien) à l'axe du jet stream supposé orienté ouest-est. Les principales inversions correspondant aux surfaces frontales et aux tropopauses sont indiquées sommairement (parties hachurées) pour faciliter la lecture du dessin. La répartition de l'ozone, exprimée à cette figure. par les isoplèthes du rapport de mélange, en hq/q, qui a permis d'obtenir ces résultats, est ajoutée Les trajectoires qui y sont esquissées, indiquent les pénétrations sporadiques (a) de la tropopause suite à de vio¬ lents mouvements convectifs; représentent l'apport d'airs stratosphérique tropical (b) et troposphérique tropical (c) qui passent progressivement au-dessus de la tropopause conventionnelle vers les latitudes du jet stream. Les pulsions stratosphériques polaires sont marquées doublement, en (e) pour montrer le cas général et en (f) pour x) Les mouvements de té demande en partie une compensation ne se limitent pas seulement à circulation méridienne fermée. Ce de Hadiey n'est pas de la troposphère et posphérique supérieure plutôt comprise dans le dessin de la inférieure de la par les transports d'air stratosphère qu'assure l'activité des cet apport tropical, problème n'est figure 45. aux car le principe ex¬ de continui¬ pas discuté ici. De même, la cellule tro¬ La confluence qui s'observe latitudes du jet stream est perturbations mobiles. dans la partie également compensée - souligner l'apport secondaire qui s'observe dans lui-même. La produit. région (d) est celle où se situe le Tel fut le cas, le 8 février 1967 sur température 26 mai 1967), C (exemple: stream et de la surface cas en d'air polaire A subtropical. stream la cote est de Dans le but de parfaire l'illustration de cette étude, la cales de l'ozone et de la - poussées les jet 68 l'Amérique figure voisinage, complétée 45 est du 17 février 1967) et D (exemple: de l'air froid le même type d'échange se du Nord. du 7 cas par un dans l'air points caractéristiques: A, certains arctique à l'intérieur ou son mars choix de répartitions tropical; B (exemple: 1967), au voisinage du verti¬ cas du jet frontale; E, dans l'air polaire. Bibliographie Barbé G.D. 1958 Données sur le vent en altitude km et au-delà jusqu'à 30 d'un radar à poursuite automatique et du procédé du (Emploi "sondage double"). J. Scient. Météor. 10, 47-62. 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