comme traceur des échanges entre la - ETH E

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.
Barbé G.D.
1960
Analyse de la
structure fine transversale d'un courant
sondages rapprochés
La
Batten E.S.
1961
région
janvier 1958.
et 7
parisienne les 6
jet à l'aide de
dans le temps, exécutés au-dessus de la
Météorologie 59, 353-408.
Wind Systems in the
mésosphère
and lower
ionosphère.
J. Meteor. 18,283-291.
Berggren R.
1953
On frontal
analysis
higher troposphère
in the
and the lower strato¬
sphère.
Arkivf. Geof. 2, 13-58.
Bhandari N., Lai D. and Rama
1966
Stratospheric circulation
studies based
on
natural and artifical radio¬
active tracer éléments.
Tellus 18,391-406.
Bolin B.
1965
The
gênerai circulation
of the
atmosphère
as
deduced with aid of
tracers.
Meteorological aspects
in
of
atmospheric radioactivity, WMO Tech.
Note No 68, edited by Bleeker.
BreilandJ.G.
1964
Vertical distribution of
tic
atmospheric
meteorological conditions.
ozone
and its relation to synop-
J. Geoph. Res. 69, 3801-3808.
BreilandJ.G.
1965
A
J.
BreilandJ.G.
1967
case
study of the vertical distribution of atmospheric
Appl.
Comparison
lower
ozone.
Meteor. 4, 357-364.
of the vertical distribution of thermal
stratosphère
with the vertical distribution of
stability in
the
atmospheric
ozone.
J. Atm. Sci. 24, 569-576.
BrewerA.W.
1949
Evidence for
a
world circulation
provided by
hélium and water vapor distribution in the
the measurements of
stratosphère.
Quart. J.R. Meteor. Soc. 75, 351-363.
BrewerA.W.
1960
The transfer of
Sci. Rep.,
Brewer A.W. and Milford J.R.
1960
atmospheric
Dept.
ozone
into the
Meteor. M.I.T.
The Oxford-Kew ozonesonde.
Proc. R. Soc. London A 256, 470-495.
Briggs J. and Roach W.T.
1963
Aircraft observations
near
jet
streams.
Quart. J.R. Meteor. Soc. 89, 225-247.
troposphère.