Les réchauffements stratosphériques soudains : le rôle du vent solaire et de l’ozone (1/2) 

Brigitte Van Vliet-Lanoë, Directeur de recherche CNRS, 
Emérite, Brest, France

Résumé : Les vortex polaires terrestres sont le phénomène-clef du fonctionnement de notre atmosphère avec l’activité solaire. Après une année 2023 très chaude et très perturbée par une puissante activité solaire avec un réchauffement stratosphérique soudain important (RSS, 27/02) au niveau du vortex N (voir SCE 2023 Vinós, 2024)Dès l’automne 2023, un nouveau RSS est annoncé selon les médias pour début janvier 2024 avec une seconde poussée probable fin janvier (NOAA). Ce premier RSS (2/01/24) a été considéré comme responsable du changement de configuration météorologique avec vagues de froid aux États-Unis et en Europe en janvier.  Selon les prévisions du 15 janvier 2024, les vents induits dans la stratosphère par un vortex arctique affaibli, « atteignant tout juste le seuil d’un réchauffement stratosphérique soudain (RSS) majeur, est attendu le 16 janvier 2024 ». Cette situation ne s’est produite qu’un mois plus tard, du 13-16 février 2024 (voir partie II Observations). Un autre événement similaire s’est produit le 2/03/14 et n’a duré que 2 jours, comme celui du 5/07/2023. Les chercheurs se questionnent sur l’évolution météorologique de cette année, suite au RSS de janvier, considéré comme une des conséquences du réchauffement anthropique de la troposphère. Les médias n’hésitent pas à envoyer des messages alarmants concernant en particulier un El Nino « exceptionnel »de ce printemps en relation avec le réchauffement anthropique.   

Nous démontrons que ces phénomènes sont liés aux perturbations induites sur les vortex polaires dans la stratosphère, en relation directe avec la qualité de l’insolation, la puissance des vents solaires et le mode de destruction de l’ozone stratosphérique. Ceci suggère que quelle que soit la puissance du vortex, c’est sa configuration spatiale et les vents solaires puissants qui amènent soit un RSS (vortex faible) ou un trou dans la couche d’ozone (vortex fort), en partie boosté par les halogènes naturels ou anthropiques. La strato-mésophère (turbosphère) est la clef de notre météo en connexion avec l’activité solaire.

1. Une planète turbulente et thermiquement fortement dissymétrique

La surface de notre planète reçoit son énergie directe surtout par irradiance solaire ou insolation, laquelle est maximale en zone intertropicale, zone la plus perpendiculaire au rayonnement solaire. Une proportion non négligeable provient de vents solaires, issu d’éruptions en surface du soleil, la corona. D’autre part, les hémisphères terrestres ne sont pas similaires en tant que récepteurs énergétiques alors que 70% de la surface terrestre est occupée par l’océan, une spécificité de notre planète. L’hémisphère Sud (HS) est dominé à 64 % par les océans alors que les continents dominent dans l’hémisphère Nord (HN). La réactivité thermique atmosphérique à l’insolation est puissante et rapide au-dessus des masses continentales, comme celle du Sahara, ou l’Antarctique en raison d’un albédo élevé. En revanche, la masse océanique, elle, est partiellement transparente à la lumière visible et surtout aux UV qui la pénètre jusqu’à 500 m de profondeur, notamment aux latitudes intertropicales, permettant un stockage thermique majeur et cumulatif en surface/subsurface de l’océan, une réémission IR directe et par vaporisation (le premier et le plus abondant des GES). Par contre, la troposphère constitue environ 80% de la masse de l’atmosphère terrestre et cette masse, ainsi que la composition de l’air, rend la troposphère assez opaque aux IR thermiques émis par la surface de la planète (SCE, 2020).

Une seconde dissymétrie est générée par l’obliquité de l’axe de rotation de la Terre et l’alternance de jours et de nuits continus aux pôles. Ceci aboutit à la formation d’un fort vortex cyclonique antihoraire hivernal dans la stratosphère au pôle N, au-dessus de l’Arctique. Son analogue horaire, apparaît en hiver austral au-dessus de l’Antarctique. En fait ces vortex stratosphériques polaires se produisent toujours en hiver hémisphérique. Pour l’hémisphère nord, (HN) ils se forment lors du passage de la Terre au périhélie, donc la plus proche distance du Soleil (le 3-4 janvier 2024 : 147,1 106 km), avec un Arctique stratosphérique fortement refroidi par rayonnement IR (nuit polaire). Pour l’HS, le vortex se forme à l’aphélie nettement plus éloignée du soleil (152,1 106 km). La source de la rotation des vortex est une résonance d’origine tidale (lunaire + solaire) et cette résonance est favorisée par la force de Coriolis ; mais un bon coup de vent solaire peut la perturber avec un RSS (SCE 2023), un phénomène très fréquent mais mal compris sur la zone arctique.

2. Rôle de la turbulence atmosphérique terrestre (en dehors du vortex)

Figure 1.  A) nuages tourbillonnaires de Jupiter (image 3D  NASA) faisant plus de 50 kilomètres de hauteur et des centaines de kilomètres de diamètre. Leur ressemblance avec les cumulonimbus et les cirrus troposphériques est étonnante. B) Nuages noctulescents perturbés par des ondulations Kevin Eymolz générées par un vent d’altitude (80 km : thermosphère ; Islande. Vedur.is), (C & D), aurores boréales avec vorticité (Islande), parfois perturbés par des instabilités de Kelvin-Helmholtz.

Figure 2  ( A) structure de l’atmosphère terrestre et évolution du vortex polaire et de l’ozone dans la turbosphère (stratosphère + mésosphère) d’après les images (NASA). Les altitudes indiquées sont sujettes à de légères variations selon les saisons et l’irradiance reçue. La relation avec les jets streams polaires troposphérique est explicitée. Pour le vortex avec trou d’ozone (B), les données, y compris le chlore, sont issues de Copernicus (ESA).

Notre troposphère et la tropopause constituent la « basse atmosphère » : c’est là que la turbulence est la plus efficace. La tropopause, la stratosphère et la mésosphère sus-jacentes à notre troposphère sont appelées « l’atmosphère moyenne » [Danikov, 1984) ou encore « turbosphère » qui s’étend à de 12±2 km à 90-100 km d’altitude. La turbosphère tout comme la troposphère terrestre possède un fonctionnement convectif, au moins jusqu’à la turbopause (90 -100 km). Mais des vents existent plus haut, dans la thermosphère, ce qui est attesté par la morphologie de « vagues de vent rapide » générées par la superposition de vents de vitesses différentes. Ces ondulations ou instabilités de Kelvin-Helmholtz, apparaissent dans celle des nuages noctulescents entre 75 et 85 km d’altitude (Figure 1B).  

Un peu plus haut, la mésopause, vers 80-90 km d’altitude, sépare la mésosphère/ turbosphère de la thermosphère, la deuxième vraie couche extérieure de l’atmosphère terrestre (Figure 2). La mésopause coïncide pratiquement avec la turbopause (100 km).  La turbulence hivernale de l’atmosphère moyenne est plus intense qu’en été hémisphérique et s’accroit avec la latitude (Danilov et al. 1992) et peut aussi perturber la dynamique du vortex.

Figure 3 : Tourbillons en hexagone au pôle de Jupiter (Images infra-rouge, NASA), Hexagone de vortex dépressionnaires (en rouge) dans la troposphère à 5,5 km, au-dessus de la calotte Antarctique (10/05/2023). Hexagone turbulent sur le pôle de Saturne et sa modélisation (2014 NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute).

 La turbopause sert de transition entre le régime de mélange turbulent de la turbosphère (atmosphère moyenne) et un régime de diffusion moléculaire dans la thermosphère, l’atmosphère supérieure (Danikov,1984 ; Danilov et al.,1992). Au niveau des cornets polaires, l’apparition de ces rides de courants et de tourbillons (Figures 2C et D) montrent qu’il existeentre 90 et 110 km d’altitude des variations spatiales et temporelles, sous base des cercles auroraux (vers 300 km). 

Ces aurores polaires se forment lorsqu’il y a collision entre ces particules chargées du vent solaire et les ions de la thermosphère. Elles sont associées à une forte activité solaire. Ces aurores sont aussi perturbées par des vents thermosphériques (instabilités de Kelvin-Helmholtz ; Palmroth et al., 2020) et sont guidées en bordure de vortex par les lignes de champ magnétique qui s’étirent du côté de la Terre opposé au Soleil. L’essentiel de la turbosphère semble donc posséder une activité turbulente par strates y compris dans la stratosphère comme dans la troposphère et dans le cas de Jupiter. Des atmosphères turbulentes ou convectives ou turbulentes ont été observées pour le Soleil, sur 7 des 8 planètes du système solaire et sur le satellite Titan : la Terre ne fait pas exception. 

3. Contribution du soleil aux vortex stratosphériques 

L’irradiance solaire totale (TSI) est la première source d’énergie fournie à la surface de la Terre. Les séries historiques des taches solaires et celles de l’évolution de la TSI sont gérées par des cycles corrélés avec l’évolution du champ magnétique solaire et les oscillations de la position de l’astre dans le système solaire. Le champ magnétique du Soleil produit des inversions tous les 11 ans corrélées avec le maximum d’un cycle des taches solaires (le cycle de Schwabe). Ils sont aussi contrôlés par des variations de force de gravité des différentes planètes du système. Actuellement, le maximum d’activité du cycle 25 est attendu début 2025. L’irradiance globale du soleil augmente relativement peu (0.07%) pendant un cycle solaire à 11 ans, mais l’activité superficielle du soleil, elle, est largement accentuée par les éjections de masse coronale solaire (EMCS) en période de forte activité. Ceci peut se produire indépendamment de la situation dans le cycle solaire, mais le nombre d’éruptions solaires est maximal un peu après la culmination du cycle. Les tempêtes géomagnétiques terrestres sont initiées par les EMCS en surface du soleil. Les EMCS sont accompagnées par les vents particulaires rapides et lents.

Le vent solaire est un plasma, composé principalement d’électrons et de protons. Il est continuellement éjecté de la haute atmosphère du soleil dans toutes les directions vers l’espace interplanétaire, le long des lignes de champ magnétique solaire. Il a deux composantes : un vent « rapide » se déplaçant à environ 500–1000 km/s provenant des trous coronaux au niveau des pôles du soleil et un vent « lent » à environ 200–450 km/s émis principalement au niveau du plan équatorial du Soleil et est d’autant plus important que le soleil est actif. Mais le plasma solaire éjecté par les EMCS pénètre profondément dans l’atmosphère via les cornets polaires, en suivant les lignes du champ magnétique terrestre (ici). 

Le champ magnétique de la Terre protège pro parte notre planète des vents solaires et des rayonnements cosmiques. La magnétosphère terrestre ne peut pas être pénétrée directement par ce vent en raison de sa pénétration perpendiculaire au champ magnétique terrestre. Le bouclier magnétique terrestre « isolant » fait donc face au soleil et protège la planète de ces vents, mais pas de la TSI, vu la transparence de l’atmosphère au rayonnement visible, IR et UV. Ce champ magnétique terrestre s’incurve aux pôles pour former deux cornets polaires perpendiculaires à la surface des pôles et donc pénétrables par les vents solaires. Il est responsable de l’injection de particules solaires magnétisées du vent jusque dans la basse atmosphère. Lorsque de très fortes éruptions solaires, l’intrusion brutale et massive de particules énergétiques induit des fluctuations importantes du champ magnétique terrestre et une onde de choc puissante responsable de l’injection les particules solaires accélérées via le cornet, ce jusqu’à la surface terrestre.

4. Le vortex arctique et les réchauffements stratosphériques soudains (RSS)

Les vortex polaires sont des cônes gainant de vent dans la turbosphère issus de la force de Coriolis, encadrant un cœur dépressionnaire caractérisé par une rotation cyclonique. Les vortex n’excèdent pas 2 000 km de diamètre mais descendent en hiver jusqu’à la surface terrestre, la dépression islandaise dans l’HN et celle sur l’est Antarctique dans l’HS Coriolis, une force inertielle et centrifuge, interagit perpendiculairement à la direction du mouvement de la planète en rotation dans le système solaire. La vitesse de rotation de notre planète est donc un facteur critique pour comprendre la dynamique atmosphérique, celle des vortex et les phénomènes qui y sont associés comme les jets troposphériques ou les trous d’ozone. Le cœur des vortex normaux est turbulent dans la turbosphère comme le montre l’évolution des deux vortex polaires ce printemps (Figure 4), avec des petits tourbillons évolutifs de 200 à 400 km de diamètres. Ce cœur gainé par des vents anticycloniques puissants, le vortex sensu stricto, se développe dans la stratosphère (15-30 km altitude, 300km/h), mais également dans la mésosphère, au moins jusqu’à 65 km d’altitude (Schranz et al., 2020).Cette gaine du vortex est, soit dans le sens anti-horaire dans l’HN et dans le sens horaire dans l’HS.  

Une rotation rapide du soleil va induire un champ magnétique intenseet donc un freinage de la rotation de la terre par les vents solaires magnétisésL’augmentation du vent solaire induit une pression qui ralentit la rotation de la Terre en transférant de l’énergie électrique au courant annulaire de la magnétosphère terrestre. Le vortex se ralentit donc en période de vents solaires puissants (2021-24 ; 900 km/s en février 2023), la vitesse normale du vortex évoluant de ± 300 km/h (standard) à 220-250km/h en période d’activité solaire élevée (SCE, 2023).C’est ce qui s’observe pour le vortex polaire arctique à 10 hPa (30 km d’altitude).

Les Réchauffements Stratosphériques Rapides (RSS) se produisent au sein de la turbosphère, mais surtout dans la Mésosphère (Schranz et al., 2020) au-dessus du maximum thermique de la stratopause (environ -3°C, ici ). Plus haut, la température de la thermosphère (Figure 2) au sommet de la turbopause augmente virtuellement avec l’altitude et atteint jusqu’à 1.000 – 1.500 K, températures qui s’expliquent en raison de l’absorption des courtes longueurs d’onde du rayonnement solaire par les molécules d’oxygène et d’azote résiduelles. La Mésosphère turbulente pourrait donc également très sensible à ce réchauffement solaire.

Les changements à long terme observés dans la turbosphère comprennent i) l’augmentation modeste de la vapeur d’eau [nuages noctilucents, orages tropicaux, éruptions volcaniques comme celle du Krakatao en 1883 ou avec l’éruption du Hunga Tunga début 2022 (Zhu et al., 2023)] et des gaz-traces à effet de serre, ii) une diminution de l’ozone et iii) un refroidissement systématique de cette région de l’atmosphère de 1980 à 2000 (Pahlavan et al., 2021). Ceci est en relation notamment avec l’augmentation de l’activité solaire, étant donné la présence de vapeur d’eau diffusée par la turbulence, ce que montrent les nuages noctulescents essentiellement produits par les très grosses éruptions volcaniques des orages tropicaux.

5. Les RSS sont liés à l’activité superficielle du Soleil et au vent solaire

  • Le vortex cyclonique se forme chaque hiver hémisphérique et est généralement stable dans la turbosphère mais sa gaine de vents est habituellement rapide (c. 300 km/h). Le vortex se forme généralement en fin d’automne, vers le début décembre en raison de la nuit polaire. Cependant, le jet stream polaire troposphérique reste en temps normal aussi rapide (c.300 km/h) et maintient l’air froid dans le cercle arctique (60°lat.N).  
  • Régulièrement, dans l’hémisphère nord, les vortex hivernaux polaires sont l’objet d’un RSS en fin/début d’année, donc au plus proche du soleil : le périhélie.
  • Pour l’HS, la Terre est plus éloignée du soleil (aphélie), ce qui permet de comprendre pourquoi des RSS sont nettement plus rares en Antarctique.  Seulement 3 évènements ont été observés : en 2002, 2009 et en 2019.  
  • Dans l’HN, ils sont donc le plus souvent associés à des pics de vent solaire rapide excédant 600 km/s (900 km/s, le 27/02/2023b) et des vents lents moyens supérieur à 400 km/s (SCE, 2023) selon les données disponibles (Space Weather & Solen Info).  
  • Les périodes d’apparition des RSS correspondent souvent, mais pas systématiquement à des périodes avec des coefficients de marée supérieurs à 100 donc une très forte attraction lunaire et solaire
  • Les pics de vents solaires de > 850 km/s (vents rapides) liés aux EMCS induisent au niveau du vortex polaire N des réchauffements stratosphériques rapides (RSS) de quelques, SCE, 2023). Ils modifient la configuration des températures troposphériques en Arctique : cette région peut alors subir un réchauffement régional (Gerrard et al., 2002 ; SCE, 2019) qui peut s’étendre à plus basses latitudes. 
  • Les pics de vents <600 km/s aboutissent à la même morphologie de vortex que les rapides : celui du 2/03/24 n’a duré que 2 jours, sans RSS, avant de faiblir. Il faut noter que dans l’HS les morphologies sont identiques mais sans donner nécessairement un RSS à l’aphélie (Figure 5).
  • Leur fréquence croît également surtout en relation avec l’augmentation depuis 1950 de l’irradiance solaire correspondant à un cycle 121 ans (11 x 11ans ; Vinos 2022) sous contrôle de la précession apsidale de l’orbite terrestre, en couplage chaque cycle magnétique à « 11 » ans du soleil. 
  • A priori, en plus de la distance terre-soleil, les ondes planétaires ou gravitaires (Rossby), vu la topographie de l’Antarctique, exercent une influence moindre qu’en Arctique. Celles-ci sont considérées classiquement comme un important mécanisme de transfert de mouvement entre la troposphère et la stratosphère (RSS) (voir Figure 7B).
  • La base du vortex se situe au sommet de la tropopause vers 16-17 km, mais transmet son énergie cinétique à la tropopause/ou très haute troposphère. L’analyse sur 2 ans d’images de l’hémisphère sud témoigne que la base vortex polaire hivernal à 10hPa (30 km) est descendue jusqu’au sommet de la tropopause (16 km) et prend que les vents suivent vers ± 72° lat. S une allure hexagonale au moins depuis 30 km d’altitude, mais son expression est maximale vers 5,5 km d’altitude (10/05/2023 ; Figure 3). L’imagerie produite par Schranz et al. (2020) atteste également d’un changement brutal de vitesse de la gaine du vortex à cette altitude.


Figure 4 :  Etat des deux vortex terrestres le 07/03 /2024, le 17/03/2024 et 20/03/24 à 10 HPa. Noter que le vortex N commence sa disparition en ralentissant sérieusement (50 km/300km/h) et également l’aspect particulier du pôle Sud avec une granulation liée à des micro-tourbillons au niveau de la tropopause, rappelant la surface de Jupiter Pour l’Antarctique, la construction du vortex est centripète, ce qui apparait également pour l’HN en hiver. Il faut également noter que les grosses perturbations du vortex HN se trouvent à l’aplomb de l’Atlantique et non du Pacifique (ondes de Rossby, liées au relief du Groenland et de la Scandinavie).

 Figure 5 : vents solaires rapides et lents du janvier 2023 a fin avril 2024 pour le dernier pic ultra rapide (1000 km/s), le vortex s’est dilaceré sans accolement d’un contre-vortex et donc sans RSS.

Le RSS record de la mi-janvier 2009 dans l’HN (Lida et al., 2014) aurait amené des changements latitudinaux soudains et couplés dynamiquement dans la circulation zonale tropicale troposphérique, mais aussi dans la stratosphère. L’activité convective de l’HN s’est affaiblie au détriment de celle de l’HS.

6. Les données

C’est pour toutes ces raisons que nous avons effectué un suivi sur 2 ans de l’activité du vent solaire rapide, montrant que les pics élevés apparaissent fin décembre à fin février, mais avec une récurrence quasi-mensuelle pour les pics moyens, (rotation du soleil : 27 jours). Les pics élevés se produisent dans l’HN environ tous les ans en hiver, ce qui suggère que c’est toujours la même zone de EMCS qui émet depuis la surface du soleil.  A proximité du périhélie, l’influence solaire est alors plus puissante dans l’HN que dans l’HS, et la cyclicité pour de très gros évènements est de +/- un an (27/02/23 et 03 /01/24). La fréquence des RSS faiblit après le périhélie et, le réchauffement troposphérique consécutif n’est plus suffisamment puissant pour influencer notre climat. Normalement, dans l’HN, la fréquence d’apparition deRSS en Arctique est d’environ 2 ans. Ce phénomène perturbe notablement notre météo via les jets stream. 

Les réchauffements stratosphériques N et S de 2018-2019
Ils sont les mieux enregistrés dans l’HN mais également exceptionnel en Antarctique, en août-septembre 2019 : c’est le troisième cas enregistré. L’essentiel du réchauffement de janvier 2019 a été a été suivi entre 30 et 60 km (Schranz et al. 2020), donc dans la mésosphère et la stratosphère N (Figure 6) avec 2 évènements successifs, un du 22/11 au 25/12/2018 et le second, nettement plus puissant du 12/01/2019 au 03/03/2019 (Figure 6).  Les RSS de 2018-19 affectent l’atmosphère surtout au-dessus de la stratosphère et non à partir de la troposphère comme incriminé par Cohen et al. (2014), la base du vortex au-dessus de la tropopause, restant très froide et ralentie.  

Ce double RSS soudain et puissant de l’HN a été suivi par une vague de chaleur troposphérique descendant du pôle entre le 24 et le 27 juillet 2019, plus particulièrement dans la zone climatique arctique (SCE, 2019), ce qui a abouti à une fonte exceptionnelle de la calotte et de la banquise ancienne au Nord du Groenland (NSDIC). Il a été suivi fin août 2019 par un puissant, mais exceptionnel RSS antarctique associé à une série de 6 pics de vents solaires (Figure 7A, avec pour le pic médian le + élevé max 870 km/sec), résultant en un recul important de la banquise après un hiver exceptionnel et une fonte glaciaire sur le Groenland (Lim et al. 2019). Ceci suggère une activité solaire élevée et persistante avec un vent solaire soutenu par des éjections coronales régulières, similaire de celle de 2023, mais avec un océan terrestre initialement moins chaud.

Figure 6 :   Suite de plusieurs RSS du 12/2018 au 03/19,  la vitesse en rouge atteint 430 km/h, celle en bleu foncé 70 km/h et en vert, la moyenne du vortex, soit 300 km/h (Schranz et al., 2020). A noter que pour le RSS du 17/02/2023 les vitesses atteintes ont été de 380 km /h et le 8/01/2024 de 360 km/h pour la zone de contact entre le cyclone du vortex et le contre vortex. Selon nous, il ne s’agit pas du vortex mais bien du contre-vortex anticyclonique qui s’échauffe.

Figure 7 : A) enregistrement des vents solaires rapide et lents pendant le RSS Antarctique de 2019. Noter la régularité des pics extrêmes, y compris pour les vents lents. Source Solen info, daily solar winds SOHO- DISCOVR. B) Vents stratosphériques à 30 km au-dessus de la Péninsule Antarctique  mettant en évidence des instabilités Kelvin-Helmholtz générées dans la stratosphère supérieure par les ondes planétaires issue du relief de la péninsule (Windy, 6/05/2024, vents, 30 km altitude). A priori, en plus de la distance terre-soleil, les ondes planétaires ou gravitaires (Rossby), vu la topographie de l’Antarctique, exercent une influence moindr equ’en Arctique. Celles-ci sont considérées classiquement comme un important mécanisme de transfert de mouvement entre la troposphère et la stratosphère (RSS) (voir Figure 7B).

7. Conclusion finale (parties 1 et 2)

Les épisodes de réchauffements stratosphériques soudains sont responsables de réchauffements transitoires de vortex ralentis en période d’insolation élevée, lorsqu’un jet de vent solaire rapide s’engouffre dans les cornets polaires, à la suite d’une EMCS et qu’un contre-vortex anticyclonique s’est accolé au vortex arctique ou antarctique. Une contribution de la destruction de l’ozone semble claire.  Il n’y a aucune preuve valide de l’impact d’ondes gravitaires dans ce processus. Ces réchauffements qui durent 2 à 4 mois peuvent être responsables de canicules ou d’épisodes majeurs à impact climatique vrai.  D’après les enregistrements 10Be, ces éjections de EMCS sont à l’origine de réchauffements troposphériques majeurs à l’origine des épisodes de déglaciation à 14,300 ka BP et 12,400 ka BP (Van Geel et Ziegler, 2013 ; Bard et al. 2023), ce qui suggère que ces phénomènes de RSS sont associés à une activité solaire particulièrement élevée, au moins en début d’interglaciaire.

Références communes

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Une réflexion sur « Les réchauffements stratosphériques soudains : le rôle du vent solaire et de l’ozone (1/2)  »

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