Observations atmosph´eriques

3.2.1a Distribution grande ´echelle

On peut examiner les distributions grande ´echelle de la vorticit´e potentielle ainsi que d’esp`eces chimiques dont le rapport de m´elange est conserv´e de fa¸con lagran-gienne en dehors des r´eactions chimiques et des processus dissipatifs. Schoeberl et al. (1992) montrent que les distributions grande ´echelle de PV et de rapport de m´elange d’esp`eces chimiques (N2O, O3, NOy) sont fortement corr´el´ees dans les deux h´emisph`eres de la stratosph`ere `a partir de donn´ees recueillies le long de trajec-toires d’avion. La figure 3.3 montre une carte d’ozone superpos´ee aux contours de temp´erature potentielle (en trait plein) et de vorticit´e potentielle (en tirets), le long de trajectoires d’avion dans chaque h´emisph`ere en hiver. Dans l’h´emisph`ere Sud, l’ozone pr´esente des isolignes l´eg`erement inclin´ees par rapport aux isolignes de PV ; de plus, on observe un filament d’ozone non pr´esent dans le champ de PV `a la lati-tude 60◦. La diff´erence entre l’ozone et la vorticit´e potentielle dans cet h´emisph`ere serait due aux r´eactions photochimiques complexes qui ont lieu en cette saison et qui m`enent `a la destruction de l’ozone (Schoeberl et al. 1992). Ceci est confirm´e par une distribution de N2O fortement corr´el´ee avec la vorticit´e potentielle (non pr´esent´e). Par contre, dans l’h´emisph`ere Nord, il est frappant de voir que la distribution de l’ozone suit presque exactement les isolignes de la vorticit´e potentielle. Danielsen

Figure 3.4: Carte de vorticit´e potentielle sur une surface isentrope dans la tosph`ere, dans l’h´emisph`ere Nord en hiver. On peut voir le tourbillon polaire stra-tosph´erique avec de fortes valeurs de PV et un gradient de bord bien marqu´e.

(1990) observe aussi de tr`es fortes corr´elations entre la vorticit´e potentielle et la ra-dioactivit´e, l’ozone d’origine stratosph´erique, le monoxyde de carbone et la vapeur d’eau d’origine troposph´erique.

Bien que l’on puisse s’attendre `a des distributions identiques des traceurs en l’ab-sence de termes diabatiques, Haynes et McIntyre (1990) ainsi que Haynes et Ward (1993) ont montr´e que tel n’´etait pas le cas en pr´esence de processus diabatiques : la PV se comporte comme le rapport de m´elange d’une substance chimique parti-culi`ere qui n’a pas de source et les surfaces isentropes se comportent exactement comme si elles ´etaient imperm´eables `a cette substance de PV, mˆeme en pr´esence d’un r´echauffement ou refroidissement diabatique qui les rendraient perm´eables au transport de masse ou de substances chimiques.

3.2.1b Tourbillon polaire stratosph´erique

La caract´eristique essentielle de la stratosph`ere est la pr´esence en hiver d’un tourbillon de grande ´echelle (les tourbillons polaires stratosph´eriques arctique et an-tarctique) qui concentre de fortes valeurs de vorticit´e potentielle. Il est cr´e´e par le refroidissement diabatique qui intensifie les vents circumpolaires. Le tourbillon po-laire est une entit´e relativement homog`ene en vorticit´e potentielle et poss`ede des bords assez intenses comme on peut le constater sur la carte de PV provenant de

Figure 3.5a : Figure 3.5b : Figure 3.5c :

Figure 3.5. Les figures (a) et (b) montrent diff´erentes quantit´es mesur´ees le long de trajectoires d’avion (donc en fonction du temps) : la temp´erature potentielle (PT), des rapports de m´elange de traceurs chimiques (ClO et N2O), la vitesse (U) et la

vorticit´e potentielle PV observ´ee (ER2) et reconstitu´ee (CAS), le long de trajectoires d’avion (tir´e de Waugh et al. (1994)). La figure (c) montre une section

verticale de la stratosph`ere toujours le long d’une trajectoire d’avion : figure du haut, rapport de diffusion d’a´erosol mesur´e ; figure du bas, vorticit´e potentielle d´etermin´ee par la m´ethode d’advection de contours le long de plusieurs isentropes

(tir´e de Plumb et al. (1994)).

l’ECMWF (figure 3.4).

Les observations de la vorticit´e potentielle et de traceurs (N2O, ClO, a´erosol) mesur´ees le long de trajectoires d’avions montrent une transition abrupte (c’est-`a-dire sur 20km) au niveau du bord du tourbillon (Plumb et al. 1994, Waugh et al. 1994, Mariotti et al. 1997). La figure 3.5a montre diff´erents traceurs et des quantit´es dynamiques le long d’une trajectoire d’avion intersectant le bord du tourbillon polaire arctique (Waugh et al. 1994). La trajectoire s’est effectu´ee le long d’une isentrope, ce qui permet d’examiner la distribution de diff´erents traceurs le long de cette isentrope. On observe une discontinuit´e du rapport de m´elange de ClO au bord du tourbillon (mat´erialis´e qualitativement au niveau du maximum du jet polaire) ainsi que des gradients intenses pour le rapport de m´elange de N2O et pour la vorticit´e potentielle PV (ER2) calcul´ee `a partir des donn´ees locales. On peut remarquer que le front est plus ou moins intense selon les traceurs (si on compare leur intensit´e respective par |∇θc|/c o`u c est un traceur) mais qu’il se situe au mˆeme endroit pour tous les traceurs. De fa¸con plus g´en´erale, on observe que l’air polaire correspond `a un

fort rapport de m´elange de ClO, un faible rapport de m´elange de N₂O et une forte vorticit´e potentielle `a opposer `a un faible rapport de m´elange de ClO, un fort rapport de m´elange de N2O et une faible vorticit´e potentielle dans les latitudes moyennes.

Une des propri´et´es du tourbillon polaire est d’expulser de l’air polaire dans des filaments de faible ´epaisseur (Juckes et McIntyre 1987) comme les tourbillons de la turbulence bidimensionnelle que l’on a ´etudi´e `a la section 1.3.2 (Mariotti et al. 1994). Des trajectoires d’avion ont intersect´e de tels filaments et c’est ce que l’on peut exa-miner sur la figure 3.5b. Le long d’une isentrope, on observe bien un fort contraste pour les diff´erents traceurs entre l’air polaire du filament et l’air ambiant des lati-tudes moyennes. La vorticit´e potentielle reconstitu´ee par la m´ethode d’advection de contours montre aussi la pr´esence d’un filament d’air polaire avec de fortes valeurs de PV au mˆeme niveau que les traceurs chimiques (Waugh et al. 1994, Mariotti et al. 1997). On peut rappeler en quoi consiste la m´ethode d’advection de contours : on advecte des contours correspondant initialement `a des contours de PV prove-nant de mod`eles de circulation g´en´erale (type ECMWF). La vorticit´e potentielle qui en r´esulte permet d’obtenir une carte plus fine et plus r´ealiste (avec des gradients beaucoup plus intenses) que les cartes de PV provenant des mod`eles de circulation g´en´erale.

On peut aussi comparer le rapport de diffusion d’a´erosol et la vorticit´e potentielle reconstitu´ee (figure 3.5c). Pour les trois isentropes, on peut voir que la vorticit´e reconstitu´ee est en accord avec le rapport de diffusion, c’est-`a-dire que l’on observe de fortes valeurs de PV pour de faibles valeurs de rapport de diffusion d’a´erosols (Plumb et al. 1994). On observe tout de mˆeme un d´ecalage entre les deux champs provoqu´e par la m´ethode d’advection de contours qui ne positionne pas correctement les filaments (Mariotti et al. 1997).

Ces observations sugg`erent qu’il existe une barri`ere au transport au bord du tour-billon polaire qui se mat´erialise aussi bien pour les traceurs passifs qu’actifs. Cela a pu aussi ˆetre mis en ´evidence dans des mod`eles num´eriques de la stratosph`ere (Chen 1994, Norton 1994) o`u l’on observe une intensification des gradients de traceur ou de vorticit´e au niveau du bord du tourbillon.