par Dr Brigitte Van Vliet-Lanoë, Directeur de recherche CNRS, émérite

INTRODUCTION

La Terre par sa position, en tant que satellite du soleil, reçoit son énergie de plusieurs façons :

1) Elle dépend directement par la qualité de l’insolation en fonction de la distance relative avec le soleil et l’obliquité de son axe de rotation, ce qui correspond au forçage orbital, pilier de l’évolution climatique terrestre, ce jusqu’à une échelle de quelques centaines d’années.

2) La troposphère reçoit superficiellement son énergie par les rayonnements photoniques solaires filtrés par la couche d’ozone ou Tropopause.

3) Un autre apport énergétique résulte de la présence du satellite terrestre, la lune, et à la constitution intrinsèque de l’ensemble du système solaire, les forces tidales ou gravitaires qui modulent également l’activité de notre étoile à l’échelle diurne à centennale en activant l’insolation directe (TSI) et jouent un rôle indirect dans beaucoup de processus terrestres comme le vortex polaire (Fig.1a).

4). La Terre reçoit enfin des flux d’ondes issu de l’activité du Soleil accompagnés de plasma, le Vent Solaire (Fig.1b), émis lors des tempêtes magnétiques, et modulé sur Terre par le champ magnétique terrestre.

5) Une dernière source énergétique, interne cette fois, est de nature géomagnétique et géothermique, issue des forces gravitaires (lune + système solaire) et de réactions nucléaires dans le noyau terrestre.

Figure 1 : a) hexagone gravitaire du jet polaire (altitude 10 km) de l’hémisphère sud 22/12/2022 (Earthfor null) ; b) impact d’une tempête magnétique de vent solaire sur la magnétosphère terrestre (Space weather NASA). Notez la présence des 2 cornets polaires (1 & 2).

Les apports énergétiques sont donc essentiellement d’origine extraterrestre sauf le flux géothermique et géomagnétiques internes. Mais la Terre interne se refroidit progressivement. Sa température globale est encore suffisante pour permettre les activités volcaniques et tectoniques, notamment sous les calottes glaciaires, Ouest Antarctique ou Islandaise. Le reste est transmis via l’océan dont la température basale (5000m) est comprise entre +4°C et 0°C.

Le réchauffement actuel de l’atmosphère et de l’océan superficiel (< 200m) est donc surtout contrôlé par divers apports énergétiques externes interactifs et puissants, n’était celui imputé à l’homme. Contrairement aux affirmations simplistes du GIEC, la troposphère terrestre qui se réchauffe très faiblement, est un système convectif instable, turbulent et chaotique, tout comme l’océan. C’est ce que montrent toutes les analyses satellitaires depuis au moins trois décennies. Il n’a aucun paramètre dominant spécifique du climat, si ce n’est l’activité solaire.

Vu le faible pourcentage relatif de la surface terrestre émergée (30%), le stockage de l’apport thermique solaire incident se fait essentiellement dans la masse océanique et dans une moindre mesure dans la troposphère. La rotation diurne de la planète (force Coriolis) en couplage avec la topographie des fonds océaniques induit au sein de la masse océanique la circulation thermohaline, un des moteurs d’échange thermiques inter-latitudinaux. Elle renvoie vers la troposphère, via l’évaporation et les vents zonaux, l’énergie solaire (UVA) surtout stockée dans l’océan intertropical. Des ondes planétaires inertielles comme sur les autres planètes du système solaire affectent de manière antihoraire dans l’hémisphère nord (HN) ces courants atmosphériques ou océaniques, surtout pendant les mois d’hiver. Le vortex polaire et pro parte le jet stream polaire dessine sous l’impact des ondes gravitaires un hexagone, tout comme pour Jupiter ou Saturne (Fig.1a) (Fletcher et al., 2018) là où il existe un gradient latitudinal dans la vitesse des vents atmosphériques, ce qui est le cas des mésosphères des planètes telluriques.

Il se crée en conséquence, comme sur les autres planètes, – une zone de haute pression polaire de nature anticyclonique à rotation antihoraire, – suivie vers 60-50° de latitude par un flux tempéré et dépressionnaire de direction antihoraire (HN), les vents d’Ouest et, enfin, – une zone de hautes pressions subtropicales vers 30°qui génère pro parte les vents alizés de direction inverse (horaires) autour de l’équateur. Des ondes transitoires, de nature gravitaire se propagent de la Troposphère vers la haute atmosphère en déformant les jets streams et en interférant également sur la dynamique de la tropopause à la base de la stratosphère.

Si les climatologues s’intéressent surtout à la troposphère, cet apport énergétique extraterrestre transite d’abord via la « stratosphère » plus particulièrement entre le sommet de la troposphère (vers 10 km) et la partie supérieure de l’atmosphère terrestre, l’ionosphère (> 100 km, Fig.2), une zone où la densité de l’atmosphère est très très faible mais hautement énergétique. Il est donc important d’analyser comment s’effectue cette transmission majeure de l’énergie et quels en sont les diverses conséquences pour notre planète.

Aux latitudes moyennes, la stratosphère s’étend d’environ 10 km à 50 km au-dessus de la surface de la Terre, avec à sa base, la Tropopause ou couche d’ozone (Fig.2). Toute évolution du vent/ flux particulaire solaire entraîne des changements du gradient de température entre l’équateur et les pôles résultant d’une modification de la circulation stratosphérique générale, sous l’impulsion des forces de Coriolis. Au début du printemps, la circulation stratosphérique équatoriale s’inverse d’ouest en l’est (Hauchecorne et al., 2022), générant l’Oscillation Quasi-Biennale des vents stratosphériques (https://fr.wikipedia.org/wiki/Oscillation_quasi-biennale). Il s’agit d’un changement oscillatoire de la direction de 2 courants puissants dans la stratosphère moyenne équatoriale (vers 65 km d’altitude). Dans l’hémisphère froid, la direction du flux stratosphérique est horaire alors que celui de l’hémisphère chaud est antihoraire. La transition, appelée réchauffement stratosphérique final, peut être douce et tardive, et est principalement contrôlée par l’apport solaire radiatif diurne de la région impliquée, ou précoce et abrupte avec un réchauffement rapide et une décélération du vent zonal, forcé, nous le verrons, par l’activité des ondes planétaires. La stratosphère estivale garde un souvenir de son réchauffement printanier jusqu’au solstice d’été.

LE CHAMP MAGNETIQUE TERRESTRE ET LE VENT SOLAIRE

La Terre possède un champ magnétique puissant, englobant la planète de manière dissymétrique vers le côté nuit (Fig.1b), issu à la fois de celui exercé par l’activité du soleil et d’une dynamo interne à notre planète (dynamo géomagnétique). L’apport énergétique solaire normal est limité par l’enveloppe magnétique de la Terre (Fig.1b) et par la couche d’ozone qui ne laisse passer pour l’essentiel que la lumière visible, les UV « mous » ou UV-A et une très faible proportion d’UV plus énergétiques les UV-B (coups de soleil). Les UV-C sont pour l’essentiel arrêtés par la Tropopause. La magnétosphère terrestre forme deux cornets magnétiques, construits par les lignes du champ magnétique terrestre, et localisés à l’aplomb des pôles magnétiques de la dynamo terrestre (Fig.1b).

L’activité magnétique du soleil est surtout exprimée dans l’espace par une émission magnétique explosive de particules chargées à partir de la corona : le vent solaire. Ces particules de haute énergie avec les rayons cosmiques, englobent la Terre mais sont également canalisées vers la planète par les lignes du champ magnétique terrestre. En revanche, au niveau des pôles magnétiques, les cornets magnétiques polaires permettent à des altitudes plus hautes (60-150 km) l’injection du flux énergétique solaire, (RX, UV, protons et électrons rapides) (Fig.2). Les particules du vent solaire sont accélérées par le champ magnétique et les éruptions de vent solaire sont précédées par une onde de choc qui devrait forcer l’injection des particules ionosphériques dans les cornets via des ondes sonores (Sanchez-Lavega, 2011).

Une partie de ce flux atteint vers 100 km d’altitude l’Ionosphère ou Thermosphère et peut transférer son énergie aux molécules constituant la Mésosphère et la partie supérieure de la Stratosphère (Fig.2). Les UV de très courte longueur d’onde (UV- D-F), pénètrent rarement les cornets magnétiques en dessous de 60 km d’altitude. La trace de l’arrivée du vent solaire dans les cornets est l’ovale auroral (Fig.3), localisé à une altitude comprise entre 80 et 150 km d’altitude et habituellement entre 65 et 75° de latitude géomagnétique. Il correspond à la bordure magnétique neutre du cornet (Askasofu 1966). Les aurores boréales se produisent dans l’ionosphère supérieure selon l’ovale auroral signant le flux particulaire canalisé par le renforcement nocturne du cornet polaire et de sa couche neutre externe (Teste, 2007). Si l’activité solaire est plus forte, le diamètre de l’ovale augmente. En cas de très fortes tempêtes magnétiques, l’ovale s’élargit de l’Arctique vers l’Equateur et s’épaissit côté nuit (Fig.3).

Le dernier épisode d’aurores boréales (28/02 au 1/03/ 2023) a atteint la Bretagne (45°N). Elles apparaissent au nord de la Loire après l’équinoxe d’automne, généralement après le solstice d’hiver. Lors d’un Minimum d’activité solaire, comme celui de Maunder (1645-1715 ; Eddy,1976), les aurores peuvent même descendre en zone intertropicale lors des maximas du cycle solaire à 11 ans. Ce phénomène se produit immédiatement à l’aplomb du sommet du vortex polaire (vers 60 – 80 km) mais n’est connecté avec lui. Il est seulement un traceur de l’activité magnétique solaire.

Figure 2. Schéma dynamique des relations entre Coriolis, le cornet magnétique polaire, le vortex stratosphérique polaire et le jetstream troposphérique, tous de sens de rotation antihoraire. Noter le saut de teneur en vapeur d’eau (Liu et al.,2020) à la base de la tropopause.

Un autre point pour comprendre la dynamique de notre atmosphère sont les ondes qui peuvent perturber son fonctionnement. Plusieurs types d’ondes interfèrent avec notre haute et basse atmosphère. Les plus importantes pour notre planète sont les ondes de gravité ou ondes atmosphériques sont issues de la poussée d’Archimède et sont de type d’ondes sonores (Sanchez-Lavega, 2011 ; Schrantz et al., 2020). Elles sont créées par la topographie (ondes orographiques) et associées à des instabilités dues à la présence de zones de convection ou de fronts d’air associés au Jet Stream polaire. Elles peuvent être stationnaires ou mobiles, sous influence de Coriolis. Elles peuvent pulser la dynamique du vortex polaire et des Jets Streams sous l’influence des ondes de chocs précédant l’arrivée du vent solaire (« dépressions » sur une topographie plus régulière).

Figure 3 : Ovale auroral Nord et aurores boréales, plus développé côté nuit http://www.swpc.noaa.gov/products/aurora-30-minute-forecast

Les ondes gravitationnelles, elles, sont moins importantes pour la Terre, il s’agit d’ondulations invisibles générées dans l’espace par des étoiles binaires en orbite ou des trous noirs en collision. Elles voyageant à la vitesse de la lumière (https://www.numerama.com/sciences/721083-quest-ce-quune-onde-gravitationnelle.html). Elles ont peu d’influence sur notre planète si ce n’est la récurrence potentielle de pseudo-cyclicités à 2-3 ans comme par ex l’Oscillation Quasi-Biennale (Van den Broek & Masson, 2023, SCE).

LE VORTEX POLAIRE : LE GRAND AGITATEUR DE NOTRE ATMOSPHERE

Le vortex polaire est un tourbillon de vents puissants localisé en hiver au-dessus des pôles magnétiques. Durant chaque hiver hémisphérique, le vortex de vent se développe dans la Stratosphère et la Mésosphère, dans la région polaire considérée. Il constitue le phénomène majeur de transmission énergétique direct entre l’Ionosphère et la Troposphère.
Ce vortex est un système cyclonique, une ou des colonnes circulaires et descendantes de vent de gradient avec une rotation antihoraire (HN); il est entouré par de l’air froid, un anticyclone polaire stratosphérique (Fig.3). Les principaux moteurs du vortex sont – le flux des vents stratosphériques de plus basse latitude principalement sous contrôle de Coriolis, – les ondes planétaires et – le flux particulaire solaire. En l’absence de jour, le vortex marque aux environs du solstice d’hiver l’équilibre entre la force de Coriolis et un refroidissement de la basse stratosphère, entre 16 et 60 km d’altitude. La vitesse de rotation du vortex est généralement autours de 200 km/h et peut atteindre 360 km/h et plaquer au sol les hautes pressions troposphériques polaires et les immobilisent sur la zone polaire quand le vortex est froid et tourne vite (<-55°C), comme en mai 2023 sur l’Antarctique.

La base du vortex est située entre 16 et 30 km, dans la Tropopause, une zone riche en ozone. Cette couche d’ozone se forme par suite de la photodissociation par les UV-C des molécules d’O2 atmosphérique, recombinées en ozone. Cette couche est aussi contrôlée jusqu’à 25 km par une augmentation de 20% de la teneur en vapeur d’eau (Liu et al. 2010) et donc de sa densité par rapport à la stratosphère. Cette zone de friction entre le vortex stratosphérique et la troposphère tourne à peu près à la même vitesse que le vent du vortex. (200-300 km/h à la base de la Tropopause) induisant selon nous un prolongement troposphérique de même direction, le jet stream polaire, l’accélérant en début d’hiver hémisphérique. Il amplifiera les tourbillons transitoires du jet stream dans la basse atmosphère, déjà modulés par les ondes planétaires.

La puissance du vortex est maximale à la fin de l’hiver, de septembre à novembre dans l’hémisphère sud (HS) et en février à mars dans le Nord (HN ; Lecouffe 2021). Le vortex persiste généralement jusqu’au solstice d’été (HN). Le vortex polaire HS est le plus puissant : il se forme rapidement en relation avec l’isolement et la massivité de l’Antarctique, couvre une plus grande surface, très plate, et persiste plus longtemps que celui de l’HN.

LE RECHAUFFEMENT STRATOSPHERIQUE SOUDAIN DU VORTEX (RSS) ET L’OZONE

Il est fréquent que des rayons X ou UV du vent solaire, lorsqu’ils atteignent la Mésosphère supérieure, échangent leur énergie en arrachant un électron à différentes molécules.
En novembre, les ondes planétaires stationnaires de grandes longueurs d’onde ou ondes planétaires troposphériques s’amplifient pour disparaitre vers la fin décembre (Charlton et Polvani, 2007 ; Schrantz et al., 2020). Ces ondes sont accentuées par les ondes de chocs associées à l’arrivée du vent solaire (Lemoine et al., 2019), malgré un débit moyen de vent stratosphérique stable à l’échelle diurne avec un impact limité sur la morphologie du vortex (voir Fig.5). Le plasma du vent est mis en mouvement et chauffé par le choc dans la Mésosphère supérieure (Lemoine et al, 2019). Ce phénomène induit parfois selon nous, un réchauffement stratosphérique soudain du vortex (RSS) (Fig. 4), le phénomène météorologique le plus puissant dans l’atmosphère moyenne (stratosphère).

Lors d’un RSS, tel que celui de l’hiver 2018 / 2019, le vent zonal et anti-horaire HN qui supporte le vortex froid anti-horaire se dédouble brutalement (24 h) générant un second vortex de rotation inverse plus puissant issus d’une petite anomalie de pression préexistante présente la veille. Il devient horaire le 25/12 entre 60° N-90° N, et vers 80 km d’altitude (sommet de la Mésosphère, Schranz et al., 2020), isolant une basse pression (Fig.5). Il est accompagné par une descente adiabatique d’air ionosphérique et par les ondes gravitaires. Ce mécanisme génère en moins d’une semaine et par compression relative (Lemoine et al. 2019) une augmentation de température jusqu’à 60 K ou plus, vers 60 km d’altitude, alors que plus bas, dans la Mésosphère, l’ascension adiabatique d’air conduit à une baisse de température à la base du vortex (Fig.4). Ce gradient inversé de température persistera pendant un mois, tout comme le sens de rotation horaire (« inverse ») du cyclone « chaud ». À 80° N, la température moyenne par zone du vortex a augmenté d’environ 45 K (Figs. 4, 5 & 6).

Figure 4 : Répartitions des températures (en rouge) à 80 km d’altitude lors réchauffements stratosphériques à mésosphériques soudains de 2018 et 2019 (© LATMOS/CNRS in Space Weather NASA) .

Figure 5 : Evolution des RSS de 2018-19 (modèle américain GFS de la NOAA matérialisé par les lignes de flux à 10 hPa et la température (en rouge, vers 30 km d’altitude). Pour celui de Janvier-Février 2023 (NOAA et earth.nullschool.ne.) Vortex polaire nord puissant le 2/01, coloriée selon la force du vent. Noter la boucle horaire qui se détache du vortex en haut à gauche et qui s’individualisera en vortex horaire dépressionnaire.

Le vortex polaire normal s’est ensuite reformé dans la Mésosphère à la mi-janvier 2019 et le vent a regagné en vitesse dans la stratosphère en février (10 hPa). Cette anomalie s’est poursuivie jusqu’à la fin de mars. Ce vortex complexe et puissant a seulement été précédé par de petites éruptions solaires.

Figure 6. Evolution de la température (couleur) et évolution morphologique biphasée du vortex arctique chaud de d’octobre 2018 à Mars, 2019 (Schrantz et al., 2020). Noter son dédoublement du 31/12 au 06/01/2019

Le vent solaire pénètre la magnétosphère terrestre au niveau des cornets magnétiques polaires et injecte du plasma choqué provenant du vent solaire. Bien que moins de 1 % de l’énergie totale transportée par le vent solaire parvienne à franchir le bouclier magnétique terrestre non polaire, au niveau des cornets, ces intrusions contrôlent les aurores boréales, accompagnées par une forte activité électromagnétique (Grison, 2006) et sont probablement plus efficaces. Leur température apparente apparaît comme élevée (mesures satellitaires) étant donné la faible densité en particules dans l’Ionosphère (fig.2). Ce flux particulaire descend au moins jusque 80 km (ovale auroral). Il est donc susceptible d’atteindre sous forme d’UV et de RX la zone mésosphérique du vortex.Il est possible que la perturbation même minime liées aux tempêtes solaires les plus intenses peuvent créer des fissures dans la magnétosphère terrestre, qui restent ouvertes pendant plusieurs heures permettant la pénétration de flux énergétiques puissants dans la Mésosphère. Ce qui serait se produit en février 2023 après une succession de tempêtes puissantes (SpaceWeather, NASA ; RSS 2023 : Fig.6 et 7). Les RSS se produisent tous les 2-3 ans environ, à la fin de l’hiver en HN, la partie supérieure du vortex étant vraisemblablement sous contrôle de l’activité du vent solaire, en période de nuit polaire, modulée par les ondes planétaires en très haute atmosphère (Schrantz et al., 2020). C’est ce que montre la morphologie temporairement hexagonale du vortex (Fig.1a).

Mécanisme de réchauffement du RSS.

En captant et en bloquant les rayons UV-C & UVB- B du Soleil en dehors du vortex, l’ozone se redistribue en dispersant par photodissociation son gain énergétique sous forme de chaleur, de la base de la stratosphère jusque dans les hautes couches de la Mésosphère, (80 km ; Schranz et al., 2020 ; Friedel et al., 2022), ce jusqu’au réchauffement stratosphérique printanier normal.

Figure 7 : Le RSS de février 2023 s’est également transmis à la troposphère comme semble montrer l’évolution de le pression atmosphérique à Uccle (OMB ; Belgique, 50°N ; Jean Van Vliet, 2023). Flèches noires : flux solaire (grosses tempêtes solaires, Space Weather), étoile verte : aurores boréales (27/02/2023) .

Lors d’un RSS, le vortex polaire est dédoublé ; le vortex froid ralenti et dérape souvent du pôle vers les latitudes moyennes, générant des vagues de froids, notamment sur les US ou l’Europe centrale. Ces changements adiabatiques dans la structure thermique de la Stratosphère et de la Mésosphère inférieure sont généralement attribués au mouvement et à l’interaction du vortex polaire avec la Troposphère, la Haute pression sur l’Arctique et les ondes planétaires (Gerrard et al. 2002). Mais, si l’augmentation de température d’un RSS s’explique très bien par la présence de la couche d’ozone à la base du vortex, il n’explique pas le réchauffement observé au sommet de la Mésosphère (Figs 4-6). Puisque l’énergie d’un photon est inversement proportionnelle à la longueur d’onde, les UV-B & UV-C, les rayons X et les rayons gamma sont principaux responsables de réactions de photodissociation de l’ozone (Finlayson-Pitts & Pitts 2000). En 2017-2018, 19 tempêtes solaires majeurs ont eu lieux en septembre affectant essentiellement le Vortex HS, et être attribuée à une perte d’ozone troposphérique polaire (Bodeker et al., 2002). C’est également le cas pour le RSS de 2023 dans l’HN (Fig.7 & 8).

Le centre d’un vortex dépressionnaire et tiède est ascendant depuis la tropopause, expliquant le sens de sa rotation horaire. Il est vraisemblable que le dédoublement du vortex froid sous impact gravitaire dans la Mésosphère (Fig.5) permette selon nous la création d’une cheminée ascendante et chaude enrichie en ozone, dont le réchauffement s’accentue sous l’impact du vent solaire. Le transport méridional et le mélange irréversible des gaz traces (ozone) à travers la paroi d’un vortex polaire dépressionnaire par un RSS instaure également un flux thermique ascendant (de la Cámara et al., 2018 ; Schranz et al., 2020).

Figure 8 : Dispersion de l’ozone troposphérique un mois après le RSS de fin février 2023 (image Windy 3/04/2023). Noter que la concentration entoure la position totale du vortex (Fig.6) L’HS n’en présente pas. B) Ozone troposphérique le 27 mai 2023.

En Arctique, l’aspiration thermique et adiabatique à la base du vortex dépressionnaire conduit consécutivement à l’advection d’air de moyenne latitude jusqu’au pôle où l’ozone stratosphérique augmente jusqu’à 100 % et accroît de 50 % la teneur en vapeur d’eau dans la Mésosphère (Scheiben et al., 2012; Schranz et al., 2019). Après un RSS arctique, l’ozone accumulée est ensuite dispersé dans toute la haute troposphère boréale (Fig.8), permettant une exportation méridionale de l’ozone et un réchauffement en altitude (<10km), expliquant la chaleur exceptionnelle du printemps 2023. Ce processus est accentué plus particulièrement pour l’HS avec formation du trou d’ozone à la base du vortex. Les fluctuations annuelles de la superficie et de la profondeur du trou seraient classiquement causées par les variations de la température et de la circulation des vents stratosphériques, les conditions plus froides entraînent une plus grande surface du trou et des valeurs d’ozone plus faibles en son centre (Fig. 9).

Figure 9 : image du 17 septembre 2022 : trou de l’ozone sur vortex polaire antarctique. Copernicus Atmosphere Monitoring Service. Noter la concentration élevée d’ozone dans la zone basse du vortex et sur ses bords, ce qui explique son expulsion dans la haute troposphère.
Vidéo : ozone_hole_3d_2022_v08.mp4

Forçages
Ce phénomène de RSS se produisant en alternance au-dessus des deux hémisphères, il peut à l’échelle planétaire se produire après chaque solstice (été HS ; hiver HN). C’est en fait le missing lane de la transmission énergétique dynamique du soleil à notre planète. Les évolutions thermiques et dynamiques couramment observées au niveau du vortex sont sous contrôle des ondes gravitaires et peuvent donc affecter l’ensemble de la haute atmosphère (Gerrard et al. 2002).

Les RSS de 2023 (HN) et de 2018-19 (HS) se sont produits après une série importante de tempêtes solaires (Fig.7) ce qui suggère, en plus de celui des UV-C et UV-B, un rôle des protons solaires voire de rayons gamma d’origine extra-galactique. Ceci veut dire qu’un pourcentage du flux de particules peut alimenter énergétiquement parlant la basse ionosphère et être potentiellement injecté au sommet du vortex, jusqu’à au moins 60 km d’altitude (Schrantz et al., 2020). Un accès direct de l’ionosphère aux particules chargées du vent solaire suggère un impact thermodynamique réel des cornets, une région-clef pour l’étude des transferts énergétiques entre le vent solaire et la magnétosphère (Grison, 2006 ; Van Vliet, 2019 SCE). Si le vortex est influencé via le cornet par une tempête solaire, le phénomène de réchauffement de la basse mésosphère et de la stratosphère devrait suivre de quelques heures l’émission solaire et accélérer temporairement le vortex, permettant son dédoublement (H et L). Le réchauffement de la haute troposphère est la conséquence de l’expulsion de l’ozone en fin de vie du RSS (Fig.9).

IMPACT TROPOSPHERIQUE DU VORTEX SUR LA METEOROLOGIE TERRESTRE : LE JET STREAM ET L’OZONE

Le vortex stratosphérique polaire est bien le grand perturbateur direct de la circulation troposphérique terrestre de 10 à 3 km d’altitude (reliefs) et à la base de l’évolution météorologique. Un vortex lorsqu’il est freiné lors d’un dédoublement modeste ou d’un réchauffement stratosphérique soudain (RSS) perturbe et ralentis le jet stream troposphérique et donc la météo ce que nous avons pu constater fin février 2023. La réponse troposphérique aux états d’un vortex polaire dédoublé peut agiter notre météo jusqu’à 2-3 mois. Ceci permet une meilleure expression descendante des ondes planétaires (NE canadien ou Sibérie ; Charlton et Polvani, 2007) et induit sous la Tropopause, une forte instabilité centrifuge transmise par le jet stream polaire, freiné et dirigé à plus basse altitude par la topographie terrestre en fonction de la latitude. De plus Best & Madrigali (2015) estiment que les forces de gravité variables pendant le cycle lunaire et maximales en hiver interviennent également sur le positionnement latitudinal des méandres du jet stream voir des boucles de ces méandres. La conjonction de ces facteurs engendre un important déséquilibre thermique et une forte instabilité latitudinale des masses d’air troposphériques en couplage avec l’apport énergétique solaire diurne, directement filtré par la tropopause et un réchauffement lié à l’injection d’ozone dans la haute troposphère.

Un vortex polaire rapide maintient surtout une barrière de transport entre les masses d’air polaires et celles des latitudes moyennes. Le jet-stream polaire sera alors puissant et affectera par entrainement le reste de la troposphère. La situation de fin février 2013 a permis via le RSS, d’amener un réchauffement des hautes latitudes : l’enrichissement consécutif en ozone de la haute troposphère est responsable d’un réchauffement progressif mais temporaire de la troposphère entre 55°- 80° N. Le cycle de photodissociation-recombinaison de l’ozone conduit donc à la transformation d’énergie radiative (le rayonnement solaire entre 240 nm et 280 nm absorbé par l’ozone) en énergie cinétique et provoque donc un réchauffement troposphérique (Mégie et al., 2005 :  https://planet-terre.ens-lyon.fr/ressource/ozone-stratosphere.xml). Les mois de Février, Mars et Avril 2023 ont été très humides tempétueux avec orages ou grêles en Europe moyenne, malgré de très puissants anticyclones mobiles polaires (AMPs , voir VVL et VV, SCE 2022). La situation atmosphérique sèche sous dominance anticyclonique qui a disparu fin février avec le développement du RSS, et est réapparue vers le 15 mai 2013, en même temps qu’une baisse de la teneur en ozone dans la haute troposphère (Fig.8), d’un anticyclone bloqué sur la façade atlantique  Européenne  et, d ’une descente de la circulation cyclonique très humide et instable sur la zone méditerranéenne, soit 80 jours après le développement des aurores boréales du 27 février 2023 (vent solaire) qui marquent le début du RSS.

Les augmentations significatives en latitude et en vitesse du jet hivernal sont observées au-dessus de l’Atlantique Nord et de l’Eurasie (Hallam et al, 2022) avec les AMPs ou des remontées d’air tropical chaudes et cycloniques (Jaiser et al. 2012), amenant des tempêtes jusqu’au Spitzberg comme en 1998 (bris précoce de la banquise). Les AMPs sont généralement circonscrits par les ondulations ou boucles du jet stream avec à l’Est de ce dernier, l’injection d’air tropical (L). Ces changements concordent avec la baisse des températures et l’augmentation des gradients de pression observés entre l’équateur et l’Arctique au cours de la période, et sont probablement associés au réchauffement des hivers arctiques (voir http:// Climate4you), comme lors du RSS de fin février 2023.

Lorsque l’Oscillation Arctique (AO) est dans sa phase positive, le vortex polaire est puissant, rapide, confinant l’air froid aux régions polaires. L’appauvrissement de l’ozone stratosphérique au printemps hémisphérique est constamment suivi d’anomalies de la température de surface et des précipitations compatibles avec une oscillation arctique positive, à savoir des conditions chaudes et sèches sur l’Europe. Ce phénomène module le flux d’air froid sur une période de quelques jours à des semaines voire deux mois, suivi dans la Troposphère par un renforcement des vents d’Ouest (antihoraires) et des alizés (horaires).

En régime à AO- (négative), l’accumulation d’air très froid et lourd est éjectée en AMP en raison de l’affaiblissement d’un jet stream d’altitude moins rapide et connecté à un vortex affaibli. Cette année, une NAO/ AO négative s’est mise en place après le RSS, avec un repositionnant du vortex anticyclonique froid sur les latitudes moyennes comme les USA associé à un déplacement du secteur d’émission des AMPs guidé par le relief (ondes gravitaires). C’est aussi valable pour l’HS (Akstinas & Bukantis, 2015)

Quand le climat se refroidit, le jet descend aussi en latitude et inversement lorsqu’il se réchauffe : entre 1871 et 2011, il est remonté de 4° de latitude vers le pôle N. Cette année, il semble être redescendu sur la côte N de la Méditerranée (mi -Mai 40°N) avec des inondations séculaires, jusqu’au moins solstice d’été. Coté HS, le vortex est ultra puissant et un RSS est en train de se préparer (tourbillons cycloniques en bordure du vortex anticyclonique rapide).
Le fait que les RSS se produisent pratiquement tous les 2 ans dans l’HN, pourrait potentiellement être en relation avec un apport énergétique supplémentaire de nature gravitationnelle au niveau des cornets polaires, par exemple une émission gamma galactique pulsée d’~2-3 ans (Ackermamn et al. 2015). Cette récurrence simultanée d’ondes gravitaires et gravitationnelles suggère également un contrôle externe du vortex sur l’Oscillation quasi-biennale stratosphérique des vents et non l’inverse. Lorsque le vortex polaire est extrêmement faible, la trajectoire des tempêtes se déplace vers l’équateur et la vitesse des alizés est accélérée pendant la Niña, la phase froide de l’ENSO, (https://www.meteocontact.fr/pour-aller-plus-loin/el-nino-la-nina; Kusharski et al., 2016), permettant des remontées d’eaux profondes et froides le long de la côte du Pérou. Pendant El Niño, le flux d’ondes planétaires est plus important dans la stratosphère pendant l’hiver de l’HN et les alizés sont freinés permettant l’accumulation d’eau chaudes dans le Pacifique central, mais également dans l’Atlantique équatorial.

A plus long terme, la corrélation entre les situations de canicules terrestres ou de situations météorologiques « bloquées » et l’activité solaire entre 1999 et 2023, sont liées aux ondes planétaires stationnaires qui limitent avec Coriolis la dérive antihoraire du jet stream, et, la transmission énergétique au niveau des cornets magnétiques polaires (Van Vliet, 2019, SCE). Ceci pourrait être la résultante de la différence gravitaire entre le cycle lunaire (nutation ou triple Saros, 54.08 ans) et la cyclicité du soleil (≈ 55 ans) (Van den Broek & Masson 2023, SCE). C’est ce que suggère l’analyse comparé de la NAO et de la vitesse du Jet Stream arctique (Blackport & Fyfe 2022). Il semble donc plausible qu’une augmentation soudaine du vent solaire vers la partie mésosphérique du vortex, sous l’ovale auroral, puisse aboutir aux épisodes de réchauffement météorologique fortuit observés. Ce début d’année 2023 semble montrer le démontrer (Fig.8). Ceci permettrait de comprendre pourquoi avec un vent solaire puissant, en fonction de l’activité superficielle du soleil ou, d’un forçage orbital nous rapprochant du soleil, l’énergie reçue au sommet de la stratosphère s’accroît et accélère le vortex et aussi par conséquent à sa base, le jet stream polaire, générant dans nos régions une période calme, chaude et pluvieuse, une NAO+, favorable au développement de la civilisation. Les modèles ne sont pas encore parvenus à montrer cela. « Bien que les tendances relevées soient statistiquement significatives, elles ne sont pas nécessairement anthropiques » (Faranda et al., 2023).

La NAO comme l’AO, et la PDO sont des situations atmosphériques régionales équivalentes. En NAO+ positive, le régime météorologique est stable, doux et pluvieux sur l’Europe en raison de la stabilité du régime zonal cyclonique troposphérique à 50°N sous contrôle du jet stream polaire modulés par les ondes de gravité. En général, en NAO-, le vortex froid descend au-dessus la Russie (Moscou express), les hivers sont froids en Europe, mais doux sur l’Amérique du Nord. Quand la NAO est très négative, la base du vortex polaire affaibli est facilement déformé par les ondes planétaires, générant les ondulations exagérées du jet stream polaire avec formation de boucle du jet comme depuis 2021. Les étés sont alors caniculaires et les hivers particulièrement froids (en moyenne) en Europe. Ce fut le cas pendant la guerre 14-18, l’hiver 1962-63, très froid en France et en Belgique, mais également l’hiver actuel 2022-23 en Europe continentale et septentrionale (Climate4you).

CONCLUSION

Lorsque le soleil est actif, il est le siège d’une activité magnétique génératrice de vents solaires puissants. La météorologie qui affecte notre planète est surtout sous l’influence de l’activité solaire (TSI), et des ondes gravitaires, le climat enregistre en revanche dans le temps l’impact des forçages orbitaux via ces mêmes paramètres. Les phénomènes amplificateurs de l’intensité de l’insolation (TSI), se superposent au forçage orbital au niveau troposphérique. Suivre l’évolution des oscillations troposphériques complexes à 60 ans (ENSO, PDO, AO, NAO, etc.) est probablement la trace la plus évidente d’un forçage gravitaire à l’échelle planétaire. Le gérant de toutes ces fluctuations météorologiques sur Terre, c’est l’intensité du vortex polaire et son prolongement troposphérique, le jetstream polaire. Les cornets magnétiques polaires contribuent à la formation hivernale du vortex qui pulsent la météo via l’injection du vent solaire dans les cornets magnétiques polaires et contribuent pro-parte à la transmission du forçage orbital sur l’insolation (climat), tels qu’enregistrés dans les archives géologiques.

L’origine du faible réchauffement actuel est essentiellement extraterrestre (soleil inclus). Il est plus logique d’obtenir ce réchauffement via l’apport énergétique des principaux pourvoyeurs externes plutôt que de notre troposphère mince via le CO2. Il existe un problème de puissance relative. L’activité humaine industrielle n’a rien à voir avec ces forçages puissants par rapport à un gaz trace, le CO2. L’augmentation officielle (GIEC) supposée du CO2 troposphérique en 2022 est tronquée effaçant un certain nombre de mesures par rapport aux mesures effectuées par voie chimique (Keeling et al., 1995 ; synthèses dans Beck 2007 et dans Van den Broek & Masson 2023, SCE). Il n’y a pas d’augmentation exponentielle du CO2 depuis le début de l’ère industrielle, mais plutôt une variation du taux atmosphérique de CO2 consécutif à l’évolution thermique du climat (Van Vliet-Lanoë 2005 ; Beck 2007). L’expulsion d’ozone vers la troposphère (Fig.8) sous des vortex polaires en pourrait être la clef du réchauffement mesuré.

Réferences

https://www.aeronomie.be/fr/encyclopedie/ovales-auroraux-aux-deux-poles-geomagnetiques

Akasofu, S.I., 1966 The auroral oval, the auroral substorm, and their relations with the internal structure of the magnetosphere. Planetary and Space Science 14(7):587-595 DOI: 10.1016/0032-0633(66)90043-2

Ackermann M., Ajello, M., Albert, A. et al. 2015. Multiwavelength evidence for Quasi-Periodic Modulation in the Gamma-Ray Blazar PG 1553+113 .Astrophysical J. Lett., 813 ( 2) DOI 10.1088/2041-8205/813/2/L41

Akstinas, V., Bukantis A., 2015. Quasi-biennial oscillation effect on climate indicators: Lithuania’s case. Baltica 28 (1),19–28. Vilnius. (DOI 10.5200/baltica.2015.28.03)

Beck, E.G., 2007. 80 Years of atmospheric CO2 gas analysis by chemical methods. Energy &
Environment, 18 (2) 259-282. http://icecap.us/images/uploads/EE_18-2_Beck.pdf

Blackport R. & Fyfe J.C, 2022 Climate models fail to capture strengthening wintertime North Atlantic jet and impacts on Europe. Sci. Adv. 8, 45

Bodeker, G., Struthers, H., Conno,r B., 2002. Dynamical containment of Antarctic ozone depletion. Geophys. Res. Lett. 9 (7) 1098, https://doi.org/10.1029/2001GL014206

Charlton, A.J. & Polvani, L. M.,2007.,A New Look at Stratospheric Sudden Warmings. Part I: Climatology and Modeling Bench-marks, Am. Meteorol. Soc., 20, 449–469, 2007.

de la Cámara, A., Abalos, M., Hitchcock, P., Calvo, N., Garcia, R.R. 2018. Response of Arctic ozone to sudden stratospheric warmings, Atmos. Chem. Phys., 18, 16499–16513.

Faranda D., G.Messori, A. Jézéquel, et al., 2023 Atmospheric circulation compounds anthropogenic warming and impacts of climate extremes in Europe. PNAS 2023, 120 (13), pp.e2214525120. ⟨10.1073/pnas.2214525120⟩.

Fletcher, L.N., Orton, G.S., Sinclair, J.A. et al. 2018. A hexagon in Saturn’s northern stratosphere surrounding the emerging summertime polar vortex. Nat Commun 9, 3564 . https://doi.org/10.1038/s41467-018-06017-3

Finlayson-Pitts B.J & Pitts J.N., 2000, Chapter 3 – Spectroscopy and Photochemistry: Fundamentals, IN Finlayson-Pitts B.J & Pitts J.N. (eds) Chemistry of the Upper and Lower Atmosphere, Academic Press, 43-85. https://doi.org/10.1016/B978-012257060-5/50005-8.

Eddy, J. ,1976. The Maunder Minimum, Science, 192, 424.

Friedel, M., Chiodo, G., Stenke, A. et al., 2022. Springtime arctic ozone depletion forces northern hemisphere climate anomalies. Nat. Geosci. 15, 541–547 (2022). https://doi.org/10.1038/s41561-022-00974-7

Gerrard, A.J , Kane, T. , Jeffrey, P.T. 2002 Synoptic scale study of the Arctic polar vortex’s influence on the middle atmosphere, 1, Observations . JGR Atmos. 107(16) DOI: 10.1029/2001JD000681

Grison B.. 2006 Etudes des interactions ondes-particules dans les cornets polaires à l’aide des
données de la mission Cluster, Thèse de l’Université de Paris 6, https://theses.hal.science/tel-00126368/document.

Hallam S., Josey, S.A., McCarthy, G.D. et al. (2022). A regional (land–ocean) comparison of the seasonal to decadal variability of the Northern Hemisphere jet stream 1871–2011. Clim Dyn 59, 1897–1918 https://doi.org/10.1007/s00382-022-06185-5

Hauchecorne, A., Claud, C., Keckhut, P. et al. 2022 Stratospheric Final Warmings fall into two categories with different evolution over the course of the year. Earth Environ com. 3, 4 (2022). https://doi.org/10.5194/acp-18-16499-2018, 2018.

Jaiser R., Dethloff, K., Handorf, D., Rinke, A., Cohen, J. 2012.) Impact of sea ice cover changes on the Northern Hemisphere atmospheric winter circulation, Tellus A: Dynamic Meteorology and Oceanography, 64:1, DOI: 10.3402/tellusa.v64i0.11595

Keeling, Worhf, Whalhen & Vanderplich 1995 Interannual extreme in the rate of rise of atmospheric carbon dioxide since 1980, Lett.Nature 375, 666-670

Kucharski F., Syed F.S, Burhan A. et al. 2016.Teleconnection of the Tropical Atlantic to Indo-Pacific Sea Surface Temperatures on Inter-Annual to Centennial Time Scales: A Review of Recent Findings. Atmosphere 2016, 7(2), 29; https://doi.org/10.3390/atmos7020029

Lecouffe A., 2021 Évolution et persistance des vortex stratosphériques polaires Arctique et Antarctique sur la période 1979 – 2021. Phys. Atmos. Océan. PhD Sorbonne Université, Université Pierre et Marie Curie – Paris VI.

Liu, X. M., Rivière E.D., Maréchal V. et al., 2010. Water vapor budget associated to overshoots in the tropical stratosphere: mesoscale modelling study of 4-5 August 2006 during SCOUT-AMMA. Atmos.Chem.Phys.10): 3975-4025.

OMM : Organisation météorologique mondiale, « oscillation biennale du vent » Glossaire météorologique, Eumetcal (consulté le 18 février 2009)

Schranz F., Hagen J., Stober G. et al. 2019 Small-scale variability of stratospheric ozone during the SSW 2018/2019 observed at Ny-Ålesund, Svalbard Atmospheric chemistry and physics 20.18 (2020): 10791-10806

Sanchez-Lavega, A. 2011 An Introduction to Planetary atmospheres CRC Press, Taylor & FrancisGroup.

Van Vliet J. 2019 Recent global heat waves are correlated to an exceptional solar cycle 24. 09/2019 (version française également) https://www.science-climat-energie.be/2019/09/05/recent-global-heat-waves-are-correlated-to-an-exceptional-solar-cycle-24/

Van Vliet-Lanoë, B., 2005 : La Planète des Glaces. Histoire et environnements de notre ère glaciaire. 470 p. Vuibert . Mai 2005

Van Vliet-Lanoë B.& Van Vliet J. Les Anticyclones Mobiles ou AMP, mécanismes logiques de forçage de la météo (2/2). 10/2022 https://www.science-climat-energie.be/2022/10/07/les-anticyclones-mobiles-polaires-ou-amp-mecanismes-logiques-de-forcage-de-la-meteo-2-2/

Van den Broek, R. & Masson H., 2023. Soleil, température et CO2 (version complète) https://www.science-climat-energie.be/2023/04/14/soleil-temperature-et-co2-version-complete/