D2 Profilés verticaux in situ

Topique

Les sondages verticaux in situ constituent la méthode de référence pour déterminer la structure thermodynamique et dynamique de la troposphère et de la basse stratosphère, c'est-à-dire comment la température, l'humidité, la pression et le vent varient avec l'altitude. L'instrument standard pour ces sondages est la radiosonde : un petit émetteur transporté vers le haut par un ballon à hélium à une vitesse d'environ cinq mètres par seconde. Au cours de son ascension, la radiosonde mesure la température, l'humidité relative, la pression et la vitesse du vent à chaque altitude atteinte, cette dernière permettant de suivre précisément la position du ballon. La radiosonde continue son ascension avec le ballon à hélium jusqu'à des altitudes comprises entre 20 et 35 kilomètres, où le ballon finit par éclater et la radiosonde cesse d'émettre.

Ces radiosondes ne sont pas lancées isolément, mais dans le cadre d'un réseau international de radiosondage qui coordonne le lancement d'environ 1 200 sondes deux fois par jour, toujours à la même heure dans le monde entier – minuit et midi, selon le même temps universel coordonné – afin que les mesures atmosphériques effectuées dans différents pays puissent être comparées comme si elles avaient été réalisées simultanément. Chaque variable mesurée par la radiosonde possède sa propre marge d'erreur : la température est mesurée avec une précision de deux à cinq dixièmes de degré, l'humidité relative avec une précision de cinq à dix points de pourcentage, la pression avec une précision de demi à une unité de pression atmosphérique, et le vent avec une précision de cinq dixièmes à un mètre par seconde. Plus cette précision est fine, plus la structure verticale révélée par la radiosonde est fiable.

Le profil de température généré par la radiosonde lors de son ascension permet aux scientifiques de calculer, en fonction de l'évolution de la température avec l'altitude, la couche de mélange près de la surface, la stabilité atmosphérique à chaque niveau, les niveaux auxquels l'air se condense, et l'énergie convective disponible ainsi que l'inhibition convective que cette énergie doit surmonter pour être libérée. Le profil de vent généré par cette même radiosonde permet quant à lui de calculer le cisaillement du vent entre différents niveaux, le vent thermique résultant des variations horizontales de température, et le temps disponible pour le développement d'une tempête.

Le principe de la radiosonde – un petit instrument qui traverse l'atmosphère en mesurant ses propriétés – est adapté à des instruments plus spécialisés. Les sondes à ozone remplacent les capteurs classiques par un capteur mesurant le profil vertical de l'ozone grâce à une réaction chimique activée électriquement par le passage de l'air. Les radiosondes largables, quant à elles, inversent le processus de sondage : ce sont des radiosondes lancées depuis un avion en vol et qui descendent en parachute au lieu d'être transportées par un ballon. Cette capacité à cartographier l'atmosphère de haut en bas en quelques minutes les rend particulièrement utiles pour l'étude des cyclones tropicaux, où il serait impossible d'attendre l'ascension d'un ballon depuis le niveau de la mer.

Aucun sondage, aussi précis soit-il, ne décrit à lui seul l'atmosphère dans son intégralité, car les radiosondes et leurs variantes ne sont lancées qu'à partir de lieux et à des moments fixes. Par conséquent, la reconstruction complète de l'état atmosphérique combine les données de radiosondage avec l'état calculé simultanément par un modèle de prédiction numérique, grâce à une méthode d'assimilation de données : le profil observé par la radiosonde corrige le modèle de prédiction numérique là où ils divergent, et ce dernier, à son tour, comble les lacunes entre les points de sondage effectifs avec sa propre structure, produisant ainsi une analyse optimale de l'état réel de l'atmosphère.

Le résultat de ce processus, depuis l'ascension de la radiosonde jusqu'à l'analyse optimale issue de l'assimilation de données, est la structure troposphérique révélée par les sondages verticaux in situ : des couches de stabilité variable, des inversions de température (où la température augmente avec l'altitude), des nuages ​​et des zones d'humidité relative qui, ensemble, décrivent l'organisation de l'atmosphère à ce moment et à cet endroit. Ainsi, les sondages verticaux in situ demeurent la méthode de référence pour obtenir et valider la structure thermodynamique et dynamique de la troposphère et de la basse stratosphère, point de départ de cette description.

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