Le changement climatique laisse son empreinte dans la stratosphère

Dans la stratosphère, les vents dominants au niveau de l’équateur changent de direction régulièrement. Cette oscillation est parfaitement naturelle, mais il apparaît qu’elle s’est affaiblie ces 60 dernières années. La diminution de son amplitude est une conséquence directe du changement climatique.

Et s’il fallait regarder ce qui se passe dans la stratosphère pour mettre en évidence le changement climatique ? Dans cette couche atmosphérique, au niveau de l’équateur, les vents dominants alternent entre puissants vents d’ouest et puissants vents d’est. Ce comportement oscillatoire, décrit sous le nom d’oscillation quasi biennale (OQB), a une période moyenne de 28 mois. La variation de direction de l’OQB est mystérieuse, mais elle impacte la composition chimique de toute l’atmosphère. En effet, la stratosphère abrite la couche d’ozone, dont la distribution dépend de la circulation atmosphérique.

Si l’OQB n’est pas une oscillation qui dépend des paramètres astronomiques, elle est influencée par le changement climatique. Une étude menée conjointement par l’International Pacific Research Center (IPRC, Hawaï) et la Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology(Jamstec, Japon) suggère que l’amplitude de l’oscillation a diminué au cours des six dernières décennies. L’analyse, dont les résultats sont publiés dans la revue Nature, est basée sur des observations de radiosondage près de l'équateur pour la période 1953-2012. Elle démontre une tendance à l’affaiblissement de l’OQB sur le long terme. Là où la pression est de 70 hPa, c'est-à-dire à environ 19 km d’altitude, l’amplitude de l’oscillation quasi biennale a diminué d’environ un tiers au cours de la période.

Comparaison entre l'amplitude de l'OQB mesurée par le radiosondage (graphique a) et celle calculée par l'un des modèles utilisés (graphique b). L'amplitude est exprimée en m/s. Le graphique c montre la vitesse verticale d'ascension de l'aircalculée par le modèle. Elle est exprimée en mm/s. © Yoshio Kawatani, Kevin Hamilton, Nature, 2013

La circulation à l’équateur se caractérise par les cellules de Hadley. Les particules de l’air s’élèvent verticalement depuis la surface jusqu’en haute atmosphère, où elles peuvent facilement atteindre 16 km d’altitude. Elles sont ensuite redirigées vers les hautes latitudes. La montée de l’air vers lastratosphère est lente, certaines particules peuvent mettre plusieurs décennies à l’atteindre. Cet upwelling de l’air entre la basse et la haute atmosphère impacte fortement la chimie de l’atmosphère dans son ensemble, car les compositions chimiques des deux couches sont très différentes. Dans leur étude, les chercheurs Yoshio Kawatani et Kevin Hamilton suggèrent que l’oscillation quasi biennale a perdu en amplitude à cause du renforcement de cet upwelling.

L'OQB, marqueur du changement climatique

Ce résultat est basé sur la comparaison des données issues des radiosondages et des simulations de modèles atmosphériques. « Nous constatons une tendance similaire dans les modèles numériques de l'atmosphère quand ils simulent le siècle dernier en tenant compte des changements dans les émissions de gaz à effet de serre », précise Kevin Hamilton. Les chercheurs démontrent que le renforcement du mouvementascendant de l’air supprime la force des vents de l’OQB dans les modèles. Ils en ont alors déduit que la tendance observée dans les radiosondages est une confirmation du renforcement de la montée de l’air vers la stratosphère à l’équateur.

Un tel changement de comportement en haute atmosphère peut être vu comme l’empreinte du réchauffement global du climat. Les résultats des modèles sont en accord avec les observations et simulent l’évolution de lacirculation atmosphérique dans la stratosphère en prenant en compte l’influence de l’augmentation des concentrations en gaz de serre, mais aussi en polluants. L’affaiblissement de l’OQB peut donc servir de marqueur du changement climatique.

Le flux d’air ascendant de la basse atmosphère vers la haute atmosphère joue un grand rôle dans la circulation atmosphérique générale. Kevin Hamilton en donne l’un des principaux atouts. « L’utilisation de produits chimiques destructeurs de la couche d’ozone, comme les fréons utilisés pour les bombes aérosols et les réfrigérateurs, a été interdite voilà 20 ans. Ces produits peuvent néanmoins rester plusieurs décennies dans l’atmosphère. Ils sont lentement transportés de la basse atmosphère vers la haute atmosphère, où ils sont détruits. Plus l’ascendance se renforce, plus les aérosols sont détruits rapidement. L’atmosphère retrouvera donc plus vite une couche d’ozone à la concentration naturelle. »

L'oscillation quasi biennale (OQB) désigne la variation de direction des vents stratosphériques au niveau de l'équateur. Sur une période de près de 28 mois, les vents d'ouest deviennent des vents d'est. Le diagramme ci-dessus montre l'OQB. Les valeurs positives de la vitesse du vent (exprimée en m/s) montrent un vent d'ouest, tandis que les valeurs négatives montrent les vents d'est. L'échelle de pression à gauche indique l'altitude (des pressions de 70 hPa et de 10 hPa s'observent respectivement à 19 km et un peu plus de 30 km d'altitude). © Morn, Freie Universität Berlin, GNU 1.2