Lorsque les avions commerciaux perçent les nuages ​​pour atteindre l'altitude de croisière, ils sont généralement arrivés dans la stratosphère, la deuxième couche de l'atmosphère terrestre. L'air là-haut est sec et clair, et beaucoup plus calme que l'atmosphère turbulente que nous vivons sur le terrain.

Et encore, pour toute sa tranquillité apparente, la stratosphère peut être un puissant tapis roulant, tirant l'air de la région équatoriale de la Terre et le repoussant vers les pôles selon un schéma de circulation continue. La force de cette circulation peut avoir un impact significatif sur la quantité de vapeur d'eau, produits chimiques, et l'ozone transporté autour de la planète.

Aujourd'hui, des scientifiques du Département de la Terre du MIT, Les sciences de l'atmosphère et des planètes (EAPS) ont pour la première fois déterminé la force de la circulation de la stratosphère, sur la base d'observations de produits chimiques clés se déplaçant dans cette couche atmosphérique.

Dans un article publié aujourd'hui dans la revue Géosciences de la nature , l'équipe rapporte que la stratosphère tire environ 7 milliards de kilogrammes d'air à travers les tropiques par seconde, à l'échelle mondiale, à une altitude d'environ 20 kilomètres. Les chercheurs estiment qu'une parcelle d'air moyenne peut passer environ un an et demi dans cette couche avant de recirculer vers les couches inférieures de l'atmosphère.

La nouvelle estimation peut aider les scientifiques à évaluer où et pendant combien de temps la vapeur d'eau, ozone, et les gaz à effet de serre restent dans la stratosphère. Les scientifiques peuvent également utiliser la méthode de l'équipe pour déterminer les futurs changements dans la force de la stratosphère, des informations essentielles pour suivre la récupération du trou dans la couche d'ozone et la progression du réchauffement climatique.

Les auteurs principaux de l'article sont Marianna Linz, un ancien doctorant à l'EAPS qui est maintenant post-doctorant à l'Université de Californie à Los Angeles; et Alan Plumb, professeur émérite à l'EAPS; avec des chercheurs de l'Université de New York, Institut de technologie de Karlsruhe, le Centre National de Recherche Atmosphérique, L'université de Cambridge, et Caltech.

Tours chimiques

La circulation de la stratosphère est connue des scientifiques sous le nom de renversement méridien, se référant au modèle dans lequel l'air est attiré dans la stratosphère près de l'équateur et transporté le long des méridiens de la Terre, ou des lignes longitudinales, avant d'être redescendu aux pôles. Les scientifiques ont tenté de mesurer la force de cette circulation renversante, se concentrant principalement sur la vitesse à laquelle la vapeur d'eau monte à travers la stratosphère près de l'équateur.

"D'autres ont regardé cette région de l'équateur où ils pensent que la plupart des choses arrivent, et ils ont essayé de caractériser cela en utilisant de la vapeur d'eau, " dit Linz. " Mais c'est juste en regardant cette région étroite, et il est difficile de déduire à quoi ressemble le reste de la circulation."

Linz, Sonder, et leurs collègues ont adopté une approche plus globale, en utilisant des mesures atmosphériques de deux produits chimiques atmosphériques, hexafluorure de soufre et protoxyde d'azote, fait le tour du monde par satellites, ballons météo, et des avions. Ils considéraient ces produits chimiques comme des candidats idéaux à suivre, car ils n'ont pas de "puits stratosphériques, " ou des méthodes par lesquelles la concentration de ces gaz changerait une fois qu'ils auraient atteint la stratosphère.

"La pensée est que ce qui monte doit redescendre, " dit Linz.

Les scientifiques ont compilé les mesures des deux produits chimiques entre 2007 et 2011, avec l'idée d'estimer combien de temps ces produits chimiques ont pris pour entrer, puis sortie, la stratosphère. Ils ont passé en revue les mesures, noter les concentrations de chaque produit chimique dans des parcelles d'air données dans toute la stratosphère
à divers endroits et altitudes.

En particulier, ils ont regardé au fil du temps pour identifier des parcelles d'air s'élevant sous les tropiques, et ensuite, des parcelles d'air avec la même concentration de produits chimiques, étant tiré vers le bas aux pôles.

Ils ont estimé que le décalage temporel entre la montée et la descente indiquerait le temps que le colis a passé dans la stratosphère. Un calcul simple, en tenant compte de la masse totale d'air dans la stratosphère, donnerait la vitesse à laquelle ce colis a voyagé dans la stratosphère, qui reflète essentiellement la force de la circulation.

"Si vous pensez à une piste de course, et quelqu'un qui fait un tour sur cette piste, vous pouvez mesurer le temps qu'ils sont entrés dans la piste, et le temps qu'ils en soient sortis, et vous pouvez calculer leur vitesse moyenne autour de la piste si vous connaissez la distance de la piste, " explique Plumb. " Alors c'est comme ça, dans un sens."

L'air là-haut

L'équipe a effectué ces calculs et a fait la moyenne des résultats pour différentes altitudes dans toute la stratosphère. Leurs calculs pour les deux produits chimiques concordaient presque parfaitement à des altitudes inférieures d'environ 20 kilomètres, produisant une force de circulation d'environ 7 milliards de kilogrammes par seconde, d'une ampleur comparable à la force de la circulation de renversement dans l'océan.

"La chose la plus importante à savoir en termes d'impacts sur le changement climatique et l'ozone est à quoi ressemble cette force de circulation à cette altitude plus basse, parce que c'est ce qui fournit des produits chimiques à la stratosphère, " dit Plum.

Linz et Plumb ont comparé leur estimation avec les prédictions de la circulation stratosphérique faites par plusieurs modèles climatiques, et ont constaté que leur estimation concordait avec certains modèles mais pas avec d'autres. Linz dit que la nouvelle estimation de l'équipe, et la méthode de calcul de la force de la stratosphère, peut aider à améliorer les prédictions des modèles du réchauffement et du développement de l'ozone.

« Si les modèles climatiques se trompent sur leur circulation stratosphérique, ils se trompent probablement sur la répartition de l'ozone, qui auront des impacts certains sur les tendances [prédites] du réchauffement climatique, " dit Linz. " Donc, avoir cette référence est vraiment précieux. "

Les chercheurs travaillent pour obtenir plus de mesures, plus haut dans la stratosphère, pour mieux caractériser la force de la stratosphère à des altitudes plus élevées ainsi qu'à l'intérieur des couches inférieures.

"Nous avons ces données et pouvons dire quelle est la force à ce niveau, mais parce que nous n'avons pas les données plus haut, on ne peut pas en dire autant. Nous avons donc vraiment besoin de meilleures observations dans la haute stratosphère, " dit Linz.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.