Glossaire

stratosphère

  Curieux  

C'est en 1902 que le météorologiste français Léon Teisserenc de Bort fit officiellement part de la découverte qu'il avait réalisée en aérologie , celle d'une zone isotherme enveloppant l'ensemble de la Terre au-dessus de la basse atmosphère ; il baptisa cinq ans plus tard cette enveloppe la stratosphère, car les mouvements de l' air s'y effectuent dans leur grande majorité par couches horizontales superposées, "en strates", en raison de la forte stabilité verticale commune à toutes les couches d' inversion de température : une parcelle d'air y subissant un début d' ascendance tend en effet à devenir plus froide — par adiabatisme — dans un environnement au moins aussi chaud, donc à être ramenée vers sa position initiale du fait que son poids , dirigé vers le bas, excède la poussée d'Archimède l'attirant vers le haut (un processus symétrique tend à s'opposer au développement d'une subsidence de toute parcelle).

La stratosphère, très pauvre en vapeur d'eau , appartient déjà à la moyenne atmosphère ; elle succède à la troposphère qui, elle, est toujours humide et est marquée par une décroissance de la température atmosphérique suivant la verticale à partir de la surface terrestre (à l'exception ici ou là des couches d'inversion de température). La stratosphère a donc pour frontière inférieure la tropopause : celle-ci, située vers 11 à 12 km d'altitude dans le cas des zones tempérées, s'abaisse en direction des pôles (jusque vers 7 à 8 km) et s'élève considérablement au contraire en direction des zones intertropicales où elle atteint environ 18 km. De ce fait, la troposphère est plus froide aux basses latitudes — vers - 80 °C et même moins au-dessus des régions équatoriales — qu'elle ne l'est aux moyennes et hautes latitudes — entre - 50 et - 60 °C — , et il en va de même de la basse stratosphère , qui est à proprement parler la "zone isotherme" de la stratosphère, où la température garde verticalement des valeurs à peu près constantes ; celles-ci se mettent ensuite à croître continûment suivant la verticale dans la moyenne stratosphère puis dans la haute stratosphère , jusqu'à atteindre presque 0 °C — et quelquefois 10 °C ou davantage — vers 50 à 55 km d'altitude : alors, le gradient vertical de température s'annule au sein d'une couche atmosphérique appelée stratopause , qui constitue la frontière supérieure de la stratosphère. En franchissant la stratopause, on entre dans la mésosphère , qui est la région de la moyenne atmosphère surplombant la stratosphère, dont elle se distingue d'abord par le profil vertical de température devenu de nouveau décroissant.

Les limites d'altitude entre basse, moyenne et haute stratosphères sont imprécises (entre 20 et 25 km, peut-on avancer, pour la limite inférieure de la moyenne stratosphère, et entre 30 et 40 km pour sa limite supérieure) ; elles sont en effet liées, non pas tant aux variations de température qu'à des différences de répartition de l' ozone stratosphérique dans l'espace et suivant les saisons . C'est du reste l' absorption de rayonnements ultraviolets par cet ozone O 3 qui provoque un échauffement de l'air et maintient à des valeurs nulles puis légèrement positives — entre 1 et 3 °C par km — le gradient thermique vertical caractéristique de la stratosphère, dont l'épaisseur recouvre celle de la couche d'ozone (la proportion volumique de O 3 y atteint un maximum entre basse et moyenne stratosphère et devient plus faible dans la haute stratosphère). Le transport de l'ozone stratosphérique se fait verticalement vers le bas par diffusion turbulente , mais aussi horizontalement, sous l'influence d'une circulation (différente en été et en hiver) dont certains courants forment des vents violents , surtout autour du continent antarctique. La stratosphère entretient donc des échanges de matière et d'énergie en son sein, mais elle en réalise aussi avec la troposphère sous-jacente, en particulier lorsque y pénètrent des "langues" d'air stratosphérique à travers une tropopause multiple .


  Initié  

La circulation générale stratosphérique

Parmi les caractéristiques les plus remarquables de la circulation générale dans la stratosphère, l'une se manifeste aux basses latitudes par un changement approximativement périodique dans la direction des vents zonaux , qui soufflent alternativement vers l'est ou vers l'ouest ; cette inversion du régime des vents affecte les courants de la zone équatoriale (entre 12° nord et 12° sud environ), et il se produit chaque fois au terme d'une durée qui peut aller de 24 à 30 mois environ, d'où son nom d' oscillation quasi biennale (en abrégé QBO , pour Quasi-Biennal Oscillation ). Alors, le nouveau régime commence à s'établir au-dessus de 30 km d'altitude et envahit la moyenne stratosphère en se propageant vers le bas selon une progression verticale proche de 1 km par mois ; l'amplitude de l'oscillation décroît puis s'annule en dessous de 23 km d'altitude environ, laissant place au régime des vents de la tropopause et de la basse stratosphère. On observe que la fréquence d'apparition de cyclones tropicaux tend à se renforcer quand les vents de la QBO sont de direction ouest.

Un autre phénomène spécifique de la circulation stratosphérique se produit au-dessus des régions polaires et subpolaires, durant l'hiver de l'hémisphère correspondant, et consiste en la formation et la persistance d'un vaste tourbillon en rotation cyclonique autour du pôle de l'hémisphère. On appelle ces deux régions en mouvement circulaire les tourbillons stratosphériques polaires (ou les vortex stratosphériques polaires , puisque le terme "vortex", emprunté à l'anglais, est souvent utilisé dans ce cas à la place de "tourbillon") ; chacun d'eux se constitue à l'époque où la mise en place de la nuit polaire accentue les différences de température entre l' air stratosphérique des latitudes moyennes, que continue de traverser dans la journée le rayonnement solaire , et celui des hautes latitudes (à des altitudes comparables), que refroidissent des pertes en énergie de rayonnement non compensées désormais par l' absorption d' ultraviolets . Les vents d'est qui, en été, instauraient au-dessus de la région polaire considérée une faible circulation anticyclonique sont alors remplacés par des vents d'ouest de plus en plus puissants, qui entretiennent à l' échelle planétaire une subsidence transportant verticalement vers les basse et moyenne stratosphères l'air de la haute stratosphère et de la basse mésosphère ; ces vents d'ouest ont une vitesse qui augmente selon la verticale jusqu'à la stratopause et qui, horizontalement, atteint des valeurs maximales au-dessus de régions proches de 60 à 70 degrés de latitude : ils ont alors la force d'un véritable courant-jet et prennent le nom de courant-jet de la nuit polaire ou courant-jet polaire .

À la fin de l'hiver et au début du printemps, le contraste entre les températures des moyennes et des hautes latitudes s'accentue et peut finir par provoquer un effondrement — définitif ou temporaire — du tourbillon polaire, caractérisé par une invasion d'air chaud des latitudes moyennes dans la stratosphère polaire : celle-ci subit alors un réchauffement stratosphérique (appelé aussi réchauffement explosif , ou soudain , ou brusque ), au cours duquel la hausse de température de l'air peut aller jusqu'à 50 °C environ en quelques jours. C'est après un événement de ce genre que se reconstitue généralement la situation prévalant au sortir de l'hiver ; mais auparavant, la "frontière" formée à travers toute la stratosphère par le courant-jet polaire aura isolé durant plusieurs mois la masse d'air très froide du tourbillon polaire dominant les hautes latitudes. On constate toutefois que ce confinement s'opère de façon nettement plus longue et plus marquée dans l'hémisphère Sud que dans l'hémisphère Nord.


La stratosphère antarctique et le trou d'ozone

La présence d' ozone dans la stratosphère est le résultat de deux processus chimiques antagonistes. L'un est consécutif à une photodissociation sous l'effet de la lumière , dont certains rayons ultraviolets très énergétiques provoquent une scission des molécules d'oxygène diatomique O 2 : chacun des atomes d'oxygène ainsi libérés peut alors rencontrer une autre molécule O 2 pour former avec elle de l'oxygène triatomique O 3 , donc de l'ozone. L'autre processus consiste en une décomposition de cet ozone, sous l'effet là encore du rayonnement solaire, mais combiné cette fois à des réactions chimiques impliquant notamment des composés porteurs d'azote et d'halogènes comme le chlore ou le brome. L'ozone ainsi formé, produit essentiellement au-dessus des régions tropicales, est dispersé ensuite à travers toute l' ozonosphère grâce à la circulation générale stratosphérique.

Les composés se trouvant à l'état naturel dans la stratosphère tendent donc à y limiter la formation d'ozone, dont les processus de production et de décomposition se compensent jusqu'à établir un état d'équilibre ; mais cet état est compromis quand des produits artificiels, tels que les chlorofluorocarbures , accentuent la décomposition de l'ozone aux dépens de sa production : c'est alors que se produit une diminution de la proportion volumique d'ozone et, en conséquence, un amincissement de la couche d'ozone , qui est connu sous le nom de trou d'ozone . Cet amincissement, en fait, est très épars dans l'espace et dans le temps. Toutefois, il prend une importance et une dimension exceptionnelles, lors du printemps austral, à l'intérieur du tourbillon stratosphérique polaire qui tourne au-dessus du continent antarctique : durant l'hiver austral qui précède cette saison , la persistance de la nuit polaire et l'isolement de l'air confiné dans ce vortex auront entraîné la chute de la température stratosphérique jusqu'en deçà de - 80 °C, rendant dès lors possible la formation de nuages stratosphériques polaires , qui prennent souvent l'aspect de nuages nacrés (ils apparaissent aussi pendant l'hiver boréal au-dessus des régions arctiques) ; or, l'intervention de certains composés artificiels à la surface de ces milieux condensés , qui sont constitués de cristaux de glace et d'acide nitrique, favorise le déclenchement de réactions chimiques productrices de chlore et de brome. Puis, au retour du rayonnement solaire, l'action des ultraviolets s'associe aux corps chimiques ainsi produits pour entraîner la destruction de l'ozone alors présent, sans que celui-ci puisse être remplacé, car il n'existe pas d'apport d'ozone en cette saison vers l'Antarctique : dans de telles conditions, le volume d'ozone stratosphérique surmontant cette immense région ne peut que diminuer considérablement — de plus de moitié quelquefois — à cette époque de l'année.