Les mécanismes proposés afin de caractériser l’influence du rayonnement solaire sur le système Terre peuvent se regrouper en deux catégories qui diffèrent de par leur origine. Bien que ces forçages soient supposés être faibles, l’existence de non-linéarités dans le système Terre-atmosphère peut amener une amplification de l’impact de ces forçages via des boucles de rétroaction sur ce système.
1.4.1 Influence particulaire
La première catégorie de mécanismes englobe toutes les interactions liées à l’impact sur l’atmo- sphère des particules énergétiques dont l’origine varie (solaire, cosmique ou encore particules issues des ceintures de radiation, les plus nombreuses). Les particules énergétiques solaires, principalement consti- tuées de protons solaires, sont émises lors d’éruptions solaires et leurs fluctuations très intermittentes sont directement modulées par l’activité solaire ; leur variabilité étant positivement corrélée à l’activité solaire. Ces particules solaires vont jouer un rôle dans l’ionisation, la dissociation et la production de différentes espèces chimiques (HOx et NOx) ; espèces chimiques liées à la destruction catalytique de l’ozone (e.g. Solomon et al. [1982] ; Jackman et al. [2008]) majoritairement aux hautes latitudes. Les rayons cosmiques constituent le deuxième type de particules interagissant avec l’atmosphère. Ils sont
Fig. 12: Schéma représentant les différents mécanismes connus de l’influence solaire sur le climat. Les effets directs et indirects sont représentés à travers les changements des flux solaires (TSI et UV). Les effets liés aux radiations corpusculaires sont également représentés (particules énergétiques et rayons cosmiques). Les flèches en pointillés dénotent les couplages entre les différentes couches du système Terre (océan ↔ troposphère et troposphère ↔ stratosphère) (source : Gruzdev et al. [2009])
principalement constitués de protons, de noyaux d’hélium et d’électrons provenant de l’Univers. La pénétration dans l’atmosphère de ces particules va être directement influencée par l’activité solaire. En effet, en période de forte activité solaire, le vent solaire va jouer le rôle efficace de bouclier protecteur pour la Terre vis-à-vis de ces particules cosmiques. A l’inverse, en période de faible activité solaire, ce bouclier va s’affaiblir permettant une plus grande pénétration de ces particules dans l’atmosphère, augmentant ainsi la production d’ions et de radionucléides d’origine cosmique. Un mécanisme a été proposé par Dickinson [1975] pour caractériser l’impact de ces particules sur l’atmosphère. L’augmen- tation de l’ionisation de l’atmosphère entraîne une augmentation de la concentration de noyaux de condensation et de ce fait une augmentation de la formation des nuages. Ce mécanisme suggère un lien entre les rayons cosmiques et l’étendue de la couverture nuageuse qui joue un rôle très important dans le bilan radiatif global de la Terre. Toutefois, cette interaction est plus sujette à controverse par rapport à l’interaction particules solaires-atmosphère car les mécanismes reliant rayons cosmiques et nuages ne sont pas encore très bien compris et quantifiés. De plus, les résultats de simulations réalisées sur l’interaction atmosphère-rayonnement cosmique [Pierce and Adams, 2009] diffèrent de manière importante avec les résultats obtenus à partir d’observations.
1.4.2 Influence radiative
L’influence radiative sur le système Terre va fortement dépendre du domaine de longueur d’ondes étudié. Ainsi, l’altitude d’absorption et donc de déposition de l’énergie solaire va varier selon le do- maine spectral considéré. Sur la Figure 11, est représentée l’altitude de déposition des deux grandeurs radiatives que sont la TSI et le flux UV. Comme expliquées précédemment, les variations au cours d’un cycle de 11 ans de la TSI (0.1%) sont beaucoup plus faibles que celles observées dans le domaine UV (de l’ordre de quelques %) (pour rappel, on observe les mêmes ordres de grandeur pour le cycle à 27 jours lors des périodes de maximum solaire du cycle à 11 ans). Toutefois, la quantité d’énergie transportée par la TSI est beaucoup plus importante que celle transportée par le flux UV. L’intérêt d’étudier les variations de la TSI et son influence sur le système Terre réside dans le fait que l’impact de la TSI se traduit par un échauffement direct. En effet, les changements de la TSI impactent direc- tement la surface et chauffent les basses couches de l’atmosphère ainsi que la surface. Le mécanisme de type « bottom-up » a été proposé pour caractériser cette influence. En général, ce mécanisme est plus important dans les tropiques qu’aux hautes latitudes. Le principal mécanisme proposé détaille l’influence de la variabilité de la TSI sur la circulation atmosphérique tropicale [Meehl et al., 2003, 2008, 2009]. Cependant, des études [White et al., 2003; White, 2006] ont montré que le mécanisme «
bottom-up » ne peut pas entièrement expliquer à lui tout seul la réponse observée à la surface. C’est
pourquoi, l’existence du mécanisme « top-down » a été suggérée. Ce mécanisme caractérise l’influence du rayonnement UV sur le système Terre via l’absorption de ce rayonnement par la stratosphère et plus particulièrement par l’ozone stratosphérique. Le mécanisme « top-down » le mieux documenté [Haigh, 1996; Shindell et al., 1999; Balachandran et al., 1999; Kodera and Kuroda, 2002] est celui qui lie les variations UV aux précipitations dans la ceinture tropicale. Ce mécanisme se décompose en plusieurs étapes. L’augmentation du flux UV, lors d’un maximum solaire, entraîne une augmentation du taux de chauffage de l’ozone ainsi qu’une augmentation des concentrations d’ozone stratosphérique. Ces augmentations vont modifier la température et la circulation zonale de la stratosphère entrainant une altération au niveau de la propagation des ondes atmosphériques. Cette altération va modifier la circulation et le transport d’énergie de l’équateur vers les pôles, ayant comme conséquence une augmentation des précipitations au niveau des tropiques.
Ce premier chapitre introductif a mis en évidence les différents mécanismes d’action de la varia- bilité solaire sur le système Terre. Il est apparu que les mécanismes photochimiques jouent un rôle prépondérant dans l’équilibre de la moyenne atmosphère en partie via l’O3 qui est le gaz clé de la
moyenne atmosphère capable d’influencer l’équilibre radiatif de la moyenne atmosphère. La réponse de la moyenne atmosphère tropicale à la varaibilité solaire UV va être dominée par les processus photo- chimiques et notamment ceux liés à l’O3 (première étape du mécanisme « top-down »). Ces processus
photochimiques qui entrent en jeu lors du cycle solaire à 11 ans sont les mêmes que ceux du cycle solaire à 27 jours. Bien que d’amplitude plus faible que celle du cycle à 11 ans, la variabilité solaire spectrale à 27 jours va présenter des caractéristiques similaires avec une dépendance spectrale équiva- lente (la variabilité spectrale augmente lorsque la longueur d’onde diminue). De plus, les mécanismes photochimiques étudiés sont les mêmes quelque soit le cycle considéré. Enfin, l’étude de la réponse de l’atmosphère au cycle à 27 jours à l’avantage d’assurer une meilleure robustesse statistique de cette réponse car sur une même période 130 fois plus de cycles à 27 jours sont couverts que de cycles à 11 ans. C’est pourquoi dans la suite de ma thèse, je me suis donc plus particulièrement intéressé à étudier la réponse de l’ozone tropical de la moyenne atmosphère (stratosphère et mésosphère) aux variations solaires UV aux échelles de temps du cycle solaire rotationnel (27 jours).