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Un mini-trou d'ozone très profond sur l'Europe en novembre 2000

19771 lectures / 3 commentaires27 septembre 2006, 17 h 15

Un mini trou d'ozone très profond dans la stratosphère aux latitudes moyennes de l'hémisphère Nord pendant l'hiver 2000(1) par Noureddine Semane(2).

L'objectif de notre étude " Semane et al. 2002 " est la mise en évidence des mécanismes de formation d'un mini-trou d'ozone très profond, observé en Europe du 28 au 29 novembre 2000 et caractérisé par une diminution très importante de l'ozone dans la stratosphère. L'analyse approfondie des données du Centre Européen pour les Prévisions Météorologiques à Moyen Terme (CEPMMT) et celles issues des mesures en altitude de la station Payerne (Suisse) nous a permis de démontrer que la formation du mini-trou observé est pilotée par l'action conjuguée de deux mécanismes qui agissent chacun dans un intervalle d'altitude bien déterminé.

En effet, au niveau de la basse stratosphère, c'est le soulèvement adiabatique d'échelle synoptique des surfaces isentropes qui contribue majoritairement à la diminution de l'ozone jusqu'à 25 km d'altitude. Ce soulèvement est généré par une perturbation de l'écoulement liée aux ondes planétaires et manifestée par une anomalie anticyclonique de la vorticité potentielle isentrope (IPV) au niveau de la tropopause. En plus de l'analyse des données de CEPMMT et celles des radiosondages de Payerne, une autre démonstration de la contribution dominante et exclusive du soulèvement aux basses altitudes a été établie moyennant des calculs de trajectoires des masses d'air pauvres en ozone. En fait, des simulations du transport des parcelles d'air pauvres en ozone, se situant entre la tropopause et l'altitude du maximum de l'ozone, montrent que l'évolution spatio-temporelle du mini-trou est entièrement indépendante de l'advection de ces masses d'air : le déplacement du mini-trou coïncide parfaitement avec celui de sa source génératrice, « l'anomalie de l'IPV ».

Par ailleurs au niveau des hautes altitudes, l'analyse des cartes de la vorticité potentielle isentrope, élaborées à partir des données météorologiques issues du CEPMMT, nous a permis de démontrer l'existence d'un deuxième mécanisme responsable du creusement du mini-trou et dont l'effet s'ajoute à celui du premier mécanisme de base, « le soulèvement adiabatique ». En effet, le diagnostic des caractéristiques de la masse d'air se trouvant aux altitudes supérieures à 25 km au dessus de la région étudiée, montre qu'elle fait partie du vortex polaire : zone caractérisée par l'existence d'un air de faible rapport de mélange en ozone. C'est cette configuration aux hautes altitudes qui est à l'origine du caractère très profond du mini-trou observé.

Contexte général de l'étude

Une diminution très importante de l'ozone stratosphérique a été enregistrée en Europe du 28 au 29 novembre 2000 par le spectromètre TOMS(3) embarqué sur le satellite Nimbus 7 affichant des valeurs inférieures à 200 unités Dobson(4) de la colonne totale de l'ozone. De telles configurations anormales de l'ozone stratosphérique peuvent avoir des effets notables sur les pics d'irradiation solaire ultraviolette (UV) au sol responsables des cancers de la peau, des cataractes et nuisibles aux plantes et aux algues photosynthétiques. Etant donné la corrélation négative existant entre la colonne totale de l'ozone et la quantité des rayons UV atteignant la surface terrestre, il s'avère alors fort intéressant de comprendre les causes qui sont à l'origine de la formation des mini-trous d'ozone et de prédire leur évolution spatio-temporelle.

De telles diminutions rapides et localisées de la colonne totale de l'ozone furent baptisées mini-trous d'ozone par Newman et al. (1998) relativement à leurs échelles horizontale (1000-3000 Km) et temporelle (1-5 jours), les distinguant ainsi du grand trou d'ozone antarctique du printemps austral (quelques dizaines de fois plus grand que le mini-trou avec une durée de plusieurs dizaines de jours). Ces mini-trous s'observent plus fréquemment en hiver aux moyennes latitudes des deux hémisphères en liaison avec l'activité dynamique atmosphérique (James, 1998), et au cours desquels la colonne totale d'ozone peut atteindre parfois des valeurs aussi basses que 170 unités Dobson dans l'hémisphère Nord.

La rapidité du changement des concentrations d'ozone en situation du mini-trou exclue les processus chimiques comme mécanismes de formation (Petzoldt, 1993). En écartant le rôle de ces processus chimiques, il est donc plus judicieux de se concentrer sur les mécanismes purement dynamiques. En fait, depuis le travail pionnier de Dobson et al. (1929), il est bien connu que les niveaux de la colonne totale de l'ozone subissent des fluctuations locales importantes à court terme qui se corrèlent étroitement avec le passage des phénomènes météorologiques d'échelle synoptique. Plus tard, Reed (1950) a expliqué que ces fluctuations étaient la signature de l'ozone qui a été advecté sous l'influence de la dynamique troposphérique et qui a subi des diminutions et des croissances sur des échelles de temps de quelques jours. Selon Rood et al. (1992), les mini-trous sont la conséquence du soulèvement de la tropopause par un forçage troposphérique menant à une contribution importante de l'air troposphérique pauvre en ozone à la colonne totale de l'ozone mesurée. Peters et al. 1995 ont suggéré que les mini-trous peuvent être causés par le transport horizontal des masses d'air pauvres en ozone des latitudes subtropicales vers les moyennes latitudes.

Hoinka et Köhler 1996 ont montré que 50% de la variation de la colonne totale de l'ozone peut être expliquée par des variations de la pression de la tropopause. Plus tard, Steinbrecht et al. (1998) ont montré qu'une élévation d'un kilomètre de la surface de la tropopause produit simultanément une diminution de la colonne d'ozone de 16 DU. Afin de prévoir le niveau de rayonnement nocif des rayons UV, Spänkuch et Shulz 1995 ont également cherché à trouver des relations fiables entre la colonne totale d'ozone d'une part et le gradient de la température et le géopotentiel d'autre part. En utilisant des données TOMS et NCEP (National Centers for Environmental Predictions, USA), Hood et al. 1999 ont trouvé une corrélation géographique entre la tendance de la vorticité potentielle IPV sur la surface isentrope 330 K et les variations de l'ozone pour les mois de février et de mars de 1979 à 1998.

La diminution de la colonne totale de l'ozone causée par le soulèvement adiabatique des masses d'air a été proposée par Salby et Callaghan 1993. Plus tard, Teitelbaum et al. (2001) ont montré qu'assez souvent, les mini-trous d'ozone et les nuages stratosphériques polaires PSC(5) se forment simultanément sur la même verticale. Ils les ont associés au soulèvement d'échelle synoptique des masses d'air au niveau de la basse stratosphère qui entraîne une diminution de la quantité de l'ozone intégrée sur toute l'atmosphère tout en conservant le rapport de mélange. Ce soulèvement est une conséquence d'une anomalie anticyclonique de la vorticité potentielle au niveau de la tropopause (Hoskins et al. 1985). Il peut pénétrer jusqu'à la moyenne stratosphère, fait diverger l'air stratosphérique riche en ozone, refroidit l'air le long des surfaces isentropes (McCormack et Hood 1997, Teitelbaum et al. 1998) et entraîne enfin la formation simultanée des mini-trous d'ozone et les PSC (Teitelbaum et Sadourny 1998).

Dans notre étude (Semane et al. 2002), nous montrons que le mini-trou d'ozone très profond, affectant les moyennes latitudes de l'hémisphère Nord en mois de novembre 2000, est causé par deux mécanismes. Le premier, mis en évidence dans notre étude par l'utilisation des données des radiosondages et du CEPMMT, est le soulèvement adiabatique d'échelle synoptique des surfaces isentropes généré par une anomalie anticyclonique de la vorticité potentielle au niveau de la tropopause. La démonstration de la contribution dominante et exclusive de ce premier mécanisme local au niveau de la basse stratosphère et de l'exclusion du mécanisme du transport de l'air provenant des régions très pauvres en ozone, est faite moyennant des calculs des trajectoires des masses d'air sur la région d'étude. Quant au deuxième mécanisme, il s'agit en fait de l'appartenance de la masse d'air des hautes altitudes se trouvant au dessus de la région étudiée, au vortex polaire(6). Notre description de cette configuration particulière de l'air aux hautes altitudes a été faite moyennant l'analyse des données de la vorticité potentielle élaborées à partir des champs météorologiques issus du Centre Européen CEPMMT.

En savoir plus

Notes

(1) Semane et al. 2002 : Article paru dans la revue scientifique internationale Tellus publiée par « The Swedish Geophysical Society ». Tellus (2002) Series A : Dynamic meteorology and oceanography, vol. 54, no.4, pp. 382-389.
(2) N. Semane : Ingénieur Météorologiste au Centre National de Recherches Météorologiques, Direction de la Météorologie Nationale, Casablanca, Maroc.
Lauréat de deux prix destinés à récompenser les jeunes chercheurs : « 2004 World Meteorological Organization WMO Research Award for Young Scientists » et « CY2004 System for Analysis, Research, and Training START Young Scientist Award ».
(3) TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer) est un instrument satellitaire permettant d'avoir une vue globale de la quantité totale d'ozone. Ce spectromètre fut installé par la Nasa sur plusieurs satellites et a fourni presque sans interruption depuis 1978 les colonnes totales, c'est-à-dire la quantité d'ozone intégrée sur toute l'atmosphère. L'étude présentée ici s'appuie sur des données numériques TOMS mises à notre disposition par la NASA.
(4) Dobson : La quantité totale d'ozone est exprimée en terme d'épaisseur équivalente de la couche d'ozone aux conditions standards (STP) de température (0°C) et de pression (1013.25 mb). Une unité Dobson (DU) équivaut à 10-5 m (STP). L'épaisseur réduite de la couche d'ozone est en moyenne égale à 300 unités Dobson.
(5) PSC : Lorsque la température en hiver décroît au-dessous d'un seuil, approximativement 195 K, de petites particules solides contenant un mélange d'acide nitrique et d'eau (certainement de l'acide nitrique trihydrate- NAT) se forment et produisent des Nuages Stratosphériques Polaires (Polar Stratospheric Clouds- PSC) dits de type I. Aux températures inférieures à environ 188K, des nuages composés de particules de glace d'eau pure, appelés PSC de type II, peuvent aussi se former.
(6) Vortex, ou dépression polaire stratosphérique, est la région entourée par le courant-jet dans laquelle l'air reste isolé de tout échange avec l'extérieur. Localisé en moyenne au nord du cercle polaire, il peut parfois migrer plus au sud.

Références

Dobson, G. M. B., D. N. Harison and J. Lawrence 1929. Measurements of the amount of ozone in the earth's atmosphere and it's relation to other geophysical condition: Part III, Proc. R. Soc. Lond. A122, 456-486.
Hoinka, K. P., H. Claude and U. Köhler 1996. On the correlation between tropopause pressure and ozone above Central Europe. Geophys. Res. Lett. 23, 1753-1756.
Hoskins, B. J., M. E. McIntyre and A. W. Robertson 1985. On the use and significance of isentropic potential vorticity maps. Q. J. R. Meteorol. Soc. 111, 877-946.
James, P. M. 1998. A climatology of ozone mini-holes over Northern hemisphere. Int. J. Climatol. 18, 1287-1303.
McCormack, J. P. and L. L. Hood 1997. The frequency and size of ozone mini-hole events at northern midlatitudes in February. Geophys. Res. Lett. 24, 2647-2650.
Newman, P. A., L. A. Lait and M. R. Schoeberl 1988. The morphology of southern hemisphere spring total ozone mini-holes. Geophys. Res. Lett. 15, 923-926.
Peters, D., J. Egger and G. Entzian 1995. Dynamical aspects of ozone mini-hole formation. Meteorol. Atmos. Phys. 55, 205,214.
Petzoldt, K. 1993. The role of the dynamics for the total ozone deviations from the long-term mean over the northern hemisphere in the winter 1991/1992. NATO Adv. St. Inst. series volume: the role of the stratosphere in global change.
Reed, R. J. 1950. The role of vertical motions in ozone-weather relationships. J. Meteorol. 7, 263-267.
Rood, R. B., J. E. Nielsen, R. S. Stolarski, A. R. Douglas, J. A. Kaye, and D. J. Allen. 1992. Episodic total ozone minima and associated effects on heterogeneous chemistry and lower stratospheric transport, J. Geophys. Res. 97, 7979-7996.
Salby, M. L. and P. F. Callaghan 1993. Fluctuations of total ozone and their relationships to stratospheric air motions. J. Geophys. Res. 98, D2, 2715-2727.
Semane, N., H. Teitelbaum, and C. Basdevant 2002. A very deep ozone minihole in the Northern Hemisphere stratosphere at mid-latitudes during the winter of 2000, Tellus Ser. A, 54, 382– 389.
Spänkuch, D. and E. Schulz 1995. Diagnosing and forecasting total column ozone by statistical relations. J. Geophys. Res. 100, D9, 18,873-18,885.
Steinbrecht, W., H. Claude, U. Köhler and K. P. Hoinka 1998. Correlations between tropopause height and total ozone: Implications for long-term changes. J. Geophys. Res. 103, D15, 19,183-19,192.
Teitelbaum, H. and R. Sadourny 1998. The role of planetary waves in the formation of polar stratospheric clouds. Tellus 50 A, 302-312.
Teitelbaum, H., M. Moustaoui, P. F. J. Van Velthoven, and H. Kelder 1998. Decrease of total ozone at low latitudes in the southern hemisphere by a combination of linear and non-linear processes. Q. J. R. Meteorol. Soc. 124, 2625-2644.
Teitelbaum H., M. Moustaoui and M. Fromm 2001. PSC and ozone mini-hole formation: the primary importance of synoptic scale flow perturbations. J. Geophys. Res. 106, D22, 28173-28188

Auteur

Noureddine Semane

Les opinions exprimées dans cet article n'engagent que leur auteur et ne reflètent pas nécessairement celles de notre-planete.info

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