E12 Composition et structure verticale

Topique

L'atmosphère terrestre est divisée en couches définies principalement par la variation de température avec l'altitude. La troposphère, qui s'étend de la surface jusqu'à une altitude moyenne d'environ 12 km, présente une diminution de température d'environ 6,5 °C par kilomètre. Au-dessus se trouve la stratosphère, entre 12 et 50 km environ, où la température augmente avec l'altitude, principalement en raison de l'absorption du rayonnement ultraviolet par l'ozone. Entre 50 et 80 km environ se trouve la mésosphère, où la température diminue à nouveau avec l'altitude, suivie de la thermosphère. Ce profil de température alterné constitue la base de la structure verticale de l'atmosphère.

La limite entre la troposphère et la stratosphère est appelée tropopause. Son altitude varie considérablement selon la latitude : sous les tropiques, elle se situe entre 16 et 18 km, tandis que dans les régions polaires, elle se situe généralement entre 8 et 10 km. Cette différence reflète les conditions thermiques et dynamiques propres à chaque région. La convection tropicale intense élève la tropopause, tandis que l'air plus froid et plus stable des régions polaires la maintient à une altitude plus basse. Sa position résulte donc de l'équilibre entre les processus radiatifs et dynamiques et peut varier lorsque cet équilibre se modifie.

La stratosphère est également caractérisée par une circulation atmosphérique à grande échelle appelée circulation de Brewer-Dobson. L'air s'élève principalement dans les régions tropicales, se déplace vers les hautes latitudes, puis redescend dans les régions extratropicales et polaires. Cette circulation est liée aux ondes atmosphériques générées dans la troposphère qui se propagent dans la stratosphère et y transfèrent de l'énergie cinétique. Elles contribuent ainsi au mouvement méridien de l'air stratosphérique. La circulation de Brewer-Dobson joue également un rôle fondamental dans la distribution de l'ozone et d'autres gaz traces, en les transportant depuis leurs régions de production et en modifiant leur répartition globale.

L'interaction entre les ondes atmosphériques et la stratosphère peut engendrer des épisodes particulièrement intenses, appelés réchauffements stratosphériques. Lors de ces événements, la température de la stratosphère polaire peut augmenter de plusieurs dizaines de degrés en quelques jours seulement. Simultanément, le vortex polaire stratosphérique, formé par les vents violents qui tourbillonnent autour du pôle en hiver, peut s'affaiblir considérablement et, dans les cas les plus extrêmes, subir une inversion de sa direction.

Les conséquences de ces phénomènes peuvent se propager vers les basses couches de l'atmosphère. Le couplage entre la troposphère et la stratosphère fonctionne donc dans les deux sens. Depuis la troposphère, les ondes générées se propagent vers le haut et influencent la circulation stratosphérique, notamment la circulation de Brewer-Dobson et le vortex polaire. Depuis la stratosphère, les perturbations produites peuvent ensuite se propager vers la troposphère et modifier la circulation atmosphérique et les profils de pression pendant plusieurs semaines.

Lorsqu'un épisode de réchauffement brutal affaiblit fortement le vortex polaire, les effets qui en résultent peuvent modifier les profils de circulation associés à l'Arctique et à l'Atlantique Nord. Ces changements peuvent favoriser certaines configurations atmosphériques permettant des incursions d'air froid dans certaines régions de latitude moyenne. Il existe donc une connexion dynamique par laquelle les perturbations prenant naissance dans la troposphère affectent d'abord la stratosphère, et les modifications qui en résultent peuvent ensuite influencer les conditions météorologiques près de la surface.

La structure verticale de l'atmosphère n'est donc pas une simple succession de couches indépendantes. La troposphère, la stratosphère et les hautes couches de l'atmosphère forment un système dynamiquement connecté par rayonnement, circulation et propagation des ondes. Une perturbation générée dans une couche peut se propager verticalement, modifier la circulation d'une autre et, par conséquent, produire des effets sur de grandes distances et sur des échelles de temps de plusieurs jours ou semaines.

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