La circulation de Brewer-Dobson

La circulation de Brewer-Dobson, ou circulation méridienne générale des masses d’air, a été mise en évidence pour la première fois par le physicien Dobson en 1949, à partir d’un spectromètre mesurant la

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colonne totale de l’ozone. À partir de ses mesures, il a réussi à faire une description du cycle saisonnier de l’ozone dans sa distribution méridienne et comprendre pourquoi l’ozone formé majoritairement dans les tropiques, se trouve en grande quantité dans les moyennes et haute latitudes. Brewer et Dobson proposèrent l’existence d’une circulation méridionale lente qui est à l’origine du transport d’ozone des tropiques vers les hautes latitudes. Cette circulation dite de Brewer-Dobson est schématisé à la figure 1.4. Elle est constituée de trois parties : un mouvement ascendant des masses d’air dans la zone intertropicale qui est d’ailleurs le prolongement de la branche ascendante de la cellule de Hadley troposphérique, suivit d’une advection par transport isentropique vers les moyennes et haute latitudes de l’hémisphère d’hiver et enfin d’une lente subsidence vers la troposphère aux latitudes moyennes et polaires.

Figure 1. 4 : Schéma conceptuel des principales régions de la basse et moyenne stratosphère, expliquant le mécanisme de transport méridien dans l’hémisphère d’hiver (à gauche) et dans l’hémisphère d’été (à droite). Les flèches larges indiquent le transport diabatique et les flèches ondulés caractérisent le transport isentropique. Les traits fins représentent les surfaces isentropes (300 K, 330 K, 380 K, et 400 K) et le trait gras indique la tropopause. D’après MWO/OMM, (1998).

Le retour des masses d’air vers les tropiques se fait dans la basse stratosphère et via la troposphère suite aux intrusions d’air stratosphérique dans la troposphère aux basses latitudes. Le temps de transit d’une masse d’air à travers la stratosphère est typiquement de l’ordre de quelques années (Waugh et Hall, 2002). Cette circulation décrit non seulement le cycle saisonnier de l’ozone dans sa distribution méridienne mais aussi de toutes les espèces chimiques stratosphériques d’une durée de vie relativement longue.

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Figure 1. 5 : Distribution de la moyenne zonale du rapport de mélange de méthane (ppmv) suivant l’altitude et la latitude pour le mois de janvier, mars , juillet et octobre. Les flèches blanches indiquent le sens du transport des masses d’air. D’après Cordero et al (http://www.ccpo.odu.edu/SEES/ozone/class/Chap_6/index.htm).

La figure 1.5 est une illustration de la circulation de Brewer-Dobson à partir de la distribution méridienne du CH4, un composé chimique de longue durée de vie. Les flèches blanches indiquent le sens d’orientation et l’intensité de la circulation. La figure 1.5 est composée de 4 images représentant chacun une saison. Les contours présentés montrent que le rapport de mélange du méthane diminue avec l’augmentation de l’altitude ce qui indique que ce traceur est d’origine troposphérique, mais il est transporté vers la stratosphère. Pour une altitude donnée, la quantité de méthane enregistrée dans les tropiques est plus élevée et diminue au fur et à mesure qu’on s’en éloigne. Cette observation illustre le fait que la branche ascendante de la circulation de Brewer-Dobson se fait au niveau des tropiques et que la phase descendante se fait au-delà, plus précisément au-dessus de la région polaire où les contours s’affaissent avec l’altitude. Aux mois de juillet et janvier représentant respectivement l’hiver dans l’hémisphère sud et nord, le transport du pôle d’été vers l’hémisphère d’hiver s’intensifie dans la haute stratosphère. Par contre il est réduit en moyenne stratosphère. En revanche, la subsidence observée dans la haute stratosphère du pôle d’hiver est très intense ce qui traduit un fort gradient vertical de méthane. Aux mois d’octobre et mars représentant le printemps respectivement dans l’hémisphère sud et nord, le transport s’effectue avec modération des tropiques vers les pôles des deux hémisphères. Toutefois, l’activité est assez intense dans l’hémisphère nord en mars et dans l’hémisphère sud en octobre. Notons que le transport vers les pôles au printemps est faible

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par rapport à celui observé en hiver. Ceci s’explique du fait que le moteur de cette circulation repose sur le déferlement et la dissipation des ondes et essentiellement celle de Rossby dont l’activité est très développée en période hivernale (Weber, 2011).

L’action induite par les mouvements ondulatoires dans la moyenne atmosphère est schématisée sur la figure 1.6, elle constitue les « poumons » de la circulation de Brewer Dobson. En effet, aux moyennes latitudes de l’hémisphère d’hiver se trouve une région appelée zone de surf (McIntyre et Palmer, 1984) créée à partir du déferlement des ondes planétaires qui sont à l’origine de la circulation induite par les ondes (Shepherd, 2000). Le déferlement se produit lorsque l’amplitude des ondes stratosphériques augmente jusqu’à un stade de saturation où l’écoulement devient dynamiquement instable. Ce déferlement des ondes dans cette région conduit à la formation d’un pompage extratropicale à grande échelle, qui permet de transporter des masses d’air riches en gaz trace stratosphérique depuis les tropiques vers les hautes latitudes à travers la zone de surf. Lorsque les ondes se dissipent durant le déferlement, les composés stratosphériques sont entrainés dans une direction opposée à celle de la circulation générale (écoulement d’ouest). La force de Coriolis joue alors un rôle de compensation de cet entrainement dans le but d’assurer la conservation du moment angulaire en induisant des mouvements méridiens conduisant par la suite les masses d’air vers le pôle. La circulation de Brewer-Dobson est donc le résultat d’une action combinée entre transfert saisonnier des masses d’air de façon diabatique (mouvement ascendant par convection ou subsidence par intrusion

Figure 1. 6 : Diagramme schématisant la circulation induite par les ondes caractérisée par les lignes noires fléchées dans la stratosphère en hiver. La zone grise indique la zone de surf où déferlent les ondes et les longs tirets caractérisent les surfaces isentropes. Les lignes en tirets gras représentent les lignes iso-rapport de mélange d’un composant de gaz de trace à longue durée de vie tandis que la ligne pointillée caractérise la tropopause. D’après Holton et Alexander, (2000).

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respectivement aux tropiques et dans les hautes latitudes), adiabatique (transport par advection à travers les surfaces isentropiques) et par pompage dû au déferlement des ondes planétaires à la zone de surf (Thiéblemont, 2012). Par conséquent, la circulation de Brewer-Dobson est de plus forte intensité dans l’hémisphère nord où l’activité des ondes planétaires est très importante, par rapport à l’hémisphère sud. En hiver, une parcelle d’air peut être transportée du tropique vers les moyennes latitudes dans l’hémisphère sud, alors que dans l’hémisphère nord, la parcelle d’air peut atteindre la région arctique (Kirgis, 2008).