Des ballons géants lancés dans la stratosphère pour transmettre un service Internet à la Terre ont aidé les scientifiques à mesurer de minuscules ondulations dans notre haute atmosphère, découvrir des modèles qui pourraient améliorer les prévisions météorologiques et les modèles climatiques.

Les ondulations, appelées ondes de gravité ou ondes de flottabilité, émergent lorsque des gouttes d'air sont poussées vers le haut puis tirées vers le bas par gravité. Imaginez une parcelle d'air qui se précipite sur les montagnes, plonge vers des vallées fraîches, fait des navettes terrestres et maritimes et ricoche sur les tempêtes grandissantes, oscillant de haut en bas entre des couches d'atmosphère stable dans un grand bras de fer entre la flottabilité et la gravité. Une seule vague peut parcourir des milliers de kilomètres, transportant l'élan et la chaleur le long du chemin.

Bien que moins connues que les ondes gravitationnelles - ondulations dans le tissu de l'espace-temps - les ondes de gravité atmosphérique sont omniprésentes et puissantes, a déclaré Aditi Sheshadri, scientifique de l'atmosphère de l'Université de Stanford, auteur principal d'une nouvelle étude détaillant les changements dans les ondes de gravité à haute fréquence à travers les saisons et les latitudes. Ils provoquent une partie des turbulences ressenties sur les avions volant par ciel clair et ont une forte influence sur le déroulement des tempêtes au niveau du sol.

Ballons de haut vol

Publié le 30 août dans le Journal of Geophysical Research :Atmosphères , la nouvelle recherche s'appuie sur les données des ballons à surpression de la société Loon LLC, qui a conçu les ballons pour fournir un accès Internet aux zones mal desservies par les tours de téléphonie cellulaire ou les câbles à fibres optiques. Filiale de la société mère de Google Alphabet en 2018, Loon a envoyé des milliers de ballons chargés de capteurs naviguer à 12 milles dans la stratosphère, bien au-dessus de l'altitude des avions commerciaux et de la plupart des nuages, pendant 100 jours ou plus d'affilée.

"C'était juste une chose très chanceuse parce qu'ils ne collectaient pas de données pour une mission scientifique. Mais, incidemment, ils mesuraient la position, la température et la pression, " dit Sheshadri, qui est professeur adjoint de science du système terrestre à la Stanford's School of Earth, Sciences de l'énergie et de l'environnement (Stanford Earth).

Les chercheurs ont calculé les mouvements des ondes de gravité à partir des données recueillies par les ballons sur 6, 811 périodes distinctes de 48 heures de 2014 à 2018. « Monter une campagne scientifique équivalente coûterait terriblement cher. Avec les données de Loon, l'analyse est plus brouillonne car la collecte des données était fortuite, mais il a une couverture quasi mondiale, " a déclaré Sheshadri.

Petites vagues, impact planétaire

Les ondes de gravité sont une partie importante de la dynamique atmosphérique. "Ils aident à piloter la circulation globale de l'atmosphère, mais certaines ondes de gravité sont trop petites et trop fréquentes pour être observées avec des satellites, " a déclaré l'auteur principal de l'étude, Erik Lindgren, qui a travaillé sur la recherche en tant que chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Sheshadri. "Ce sont les ondes de gravité sur lesquelles nous nous sommes concentrés dans cette étude." Des études antérieures utilisant des ballons atmosphériques pour suivre les ondes de gravité à haute fréquence ont généralement incorporé des données provenant de quelques dizaines de vols de ballons au maximum, couvrant des zones plus petites et moins de saisons.

Les données Loon se sont avérées particulièrement précieuses pour le calcul des ondes de gravité à haute fréquence, qui peut monter et descendre des centaines de fois par jour, sur des distances allant de quelques centaines de mètres à des centaines de kilomètres. "Ils sont minuscules et ils changent sur des échelles de temps de quelques minutes. Mais dans un sens intégré, ils affectent, par exemple, le bilan de quantité de mouvement du courant-jet, qui est cette chose massive à l'échelle planétaire qui interagit avec les tempêtes et joue un rôle important dans la définition de leur trajectoire, " a déclaré Sheshadri.

Les ondes de gravité influencent également le vortex polaire, un tourbillon d'air glacial qui plane généralement au-dessus du pôle Nord et peut souffler un froid extrême dans certaines parties de l'Europe et des États-Unis pendant des mois à la fois. Et ils interagissent avec l'oscillation quasi biennale, dans lequel, environ tous les 14 mois, la ceinture de vents soufflant haut au-dessus de l'équateur change de direction, avec de gros impacts sur l'appauvrissement de la couche d'ozone et les conditions météorologiques de surface bien au-delà des tropiques.

Par conséquent, comprendre les ondes de gravité est essentiel pour améliorer les prévisions météorologiques à l'échelle régionale, d'autant plus que le réchauffement climatique continue de perturber les schémas historiques. « Réussir les ondes de gravité aiderait à limiter les réponses de la circulation au changement climatique, comme combien il va pleuvoir dans un endroit particulier, le nombre de tempêtes — des éléments dynamiques tels que le vent, la pluie et la neige, " a déclaré Sheshadri.

Construire de meilleurs modèles

Les modèles climatiques actuels estiment les effets des ondes de gravité à haute fréquence sur la circulation dans une sorte de boîte noire, avec peu de contraintes provenant d'observations du monde réel ou de l'application des connaissances existantes limitées des processus physiques en jeu. "Jusqu'à maintenant, il n'a pas été tout à fait clair comment ces ondes se comportent dans différentes régions ou au cours des saisons à des fréquences très élevées ou à petite échelle, " a déclaré Lindgren.

Sheshadri et ses collègues se sont concentrés sur l'énergie associée aux ondes de gravité à haute fréquence à différentes échelles de temps, et comment cette énergie varie selon les saisons et les latitudes. Ils ont découvert que ces vagues sont plus grosses et accumulent plus d'énergie cinétique sous les tropiques et pendant l'été; des vagues plus petites se déplaçant avec moins d'énergie sont plus fréquentes près des pôles et pendant l'hiver. Ils ont également découvert que les ondes de gravité changeaient en synchronisation avec les phases de l'oscillation quasi biennale. "Nous avons découvert des changements distincts dans l'activité des ondes de gravité à différents moments de l'année et sur différentes parties du globe, " Lindgren a dit. " Quant à exactement pourquoi n'est pas clair. "

Dans des recherches futures, Sheshadri vise à identifier quelles sources d'ondes de gravité sont responsables de ces différences, et extrapoler les amplitudes des ondes de gravité à très hautes fréquences à partir d'observations relativement peu fréquentes. Elle a dit, "Comprendre comment les ondes de gravité entraînent la circulation dans l'atmosphère, l'interaction entre ces ondes et le flux moyen - c'est vraiment la prochaine frontière dans la compréhension de la dynamique atmosphérique."