EQUIPE STRATOSPHERE

 

Composition de l'équipe :

 Permanents : El Hassan BENCHERIF (PR UR), Nelson BEGUE  (MCF UR), Olivier DELAGE (Chercheur), Thierry PORTAFAIX (MCF UR)

 Étudiants en thèse : Jean-Maurice CADET, Kevin LAMY, René Tato LOUA

 

Contexte

 

Au cours des dernières décennies, les connaissances sur la stratosphère et sur les processus dynamiques qui s’y développent ont progressé (Shepherd, 2000, 2007). Néanmoins, on constate, à l’heure actuelle, qu’il reste des efforts à faire au niveau de la quantification de ces processus dynamiques et de leur représentation dans les modèles (Gerber et al., 2012). En effet, il est admis que les processus d’échanges stratosphériques au travers des barrières dynamiques jouent un rôle important dans la diminution de l’ozone (Hauchecorne et al., 2001; Bencherif et al., 2011) ou dans l’augmentation de la vapeur d’eau stratosphérique. Cependant, il reste encore à quantifier le transport total et à estimer sa contribution sur le bilan de l’ozone et de la vapeur d’eau dans les différents réservoirs, notamment dans la stratosphère tropicale. Les phénomènes de transport isentropique sont encore assez mal étudiés du fait des échelles horizontales sur lesquelles ils se produisent (variables, de l’ordre de quelques centaines à plusieurs milliers de kilomètres), mais surtout à cause d’un manque d’observation finement résolue dans l’espace.

A l’instar d’autres groupes de recherche, l’équipe Stratosphère du LACy a montré que les ondes atmosphériques jouent un rôle important dans les transferts d’énergie au niveau de la circulation locale et globale, mais aussi dans la redistribution des constituants atmosphériques (Bencherif et al, 2003 ; Portafaix et al., 2003 ; Morel et al., 2004 ; Morel et al., 2005 ; Bencherif et al., 2007 ; Bencherif et al., 2011 ; Bègue et al., 2017). En effet, il apparaît clairement que les processus d’échanges stratosphériques au travers des barrières dynamiques, peuvent se produire sous l’action des ondes atmosphériques (Bencherif et al., 2003 ; Portafaix et al., 2003 ; Morel et al., 2005). Les détails concernant ces processus demandent davantage de documentation ; en particulier, les contributions relatives des ondes tropicales et extratropicales restent à préciser.

Par ailleurs, la nature et la quantité des aérosols sont encore mal connues dans l’UT-LS tropicale, du fait notamment du nombre limité d’observations, alors que leur impact chimique et climatique apparaît comme important. Ce déficit d’observation est d’autant plus criant dans l’hémisphère sud, en raison de la spécificité de cette région (peu de terre), ce qui induit un faible nombre de stations d’observation et donc un faible échantillonnage. L'injection de SO2gazeux directement dans l’UT-LS par les éruptions volcaniques est susceptible de générer des quantités importantes d'aérosols sulfatés pouvant séjourner pendant plusieurs années (McCormick et al., 1992). Parmi les sources dans la région “Afrique australe - océan indien”, il y a les aérosols volcaniques (Kelud, Calbuco, …) (Bègue et al., 2017) et les feux de biomasse particulièrement importants en saison sèche. 

L’activité de l’équipe Stratosphère se focalise sur le bilan de la stratosphère tropicale, dans un contexte de changement global. Bien que la stratosphère tropicale soit un réservoir relativement isolé, elle communique sporadiquement avec les compartiments limitrophes, à travers les barrières dynamiques : la tropopause tropicale et les barrières subtropicales. Pour en faire le bilan, l’équipe Stratosphère du LACy axe ses activités sur des études de tendances, de la dynamique et des mécanismes de transports dans la stratosphère tropicale, ainsi que sur l’observation et l’analyse des radiations ultraviolettes à la surface. En plus des observations de l’OPAR à La Réunion, le développement des activités de recherche de l’équipe Stratosphère repose sur des collaborations stratégiques, sous forme de réseaux de recherche (comme le GDRI ARSAIO) et réseaux d’observations (comme le réseau UV-indien) dans l’hémisphère sud, notamment dans la zone océan Indien avec l’Afrique du Sud et Madagascar, et plus largement, avec le Brésil et l’Argentine (voir la fiche coopération Hémisphère Sud). 

Bilan global de l’équipe

L'équipe "STRATOSPHERE" est composée de 3 enseignants-chercheurs (2 MCF et 1 PR) et d’un chercheur associé. C’est la plus petite équipe du LACy. Cependant, grâce à ses collaborations nationales et internationales, l’équipe augmente significativement son potentiel recherche et encadrement, notamment via le GDRI ARSAIO, réseau de recherche franco sud-africain. Sur la période Janvier 2014 - juin 2018, l'équipe a accueilli 15 chercheurs sud-africains, brésiliens et argentins, a encadré 16 stages de master et 6 thèses (2 soutenues et 4 en cours). Voir liste des stages.

Sur la même période, Janvier 2014 - juin 2018, l’équipe a produit 26 publications scientifiques dans des revues internationales ACL, ce qui correspond à ~5 publications/an/chercheur pour 1,5 ETP. Voir la liste des publications de l’équipe.

Durant la période 2014-2018, l’équipe a porté plusieurs projets, en dépit de son faible effectif. La plupart de ces projets sont à dimension internationale et sont construits sous forme de réseaux d’observation (réseau UVindien et projet SECU-OI de mesures d’ozone et du rayonnement UV dans l’océan indien, 2016-2018 puis 2018-2021) et réseaux de recherche (programme GDRI ARSAIO franco sud-africain, 2010-2017). La coopération avec l’Afrique du Sud est un axe historique et important pour l’équipe, dont les premières actions remontent à 1998. En plus du GDRI ARSAIO, cet axe Réunion-Afrique du Sud a été consolidé par 2 projets bilatéraux soutenus dans le cadre des appels PHC/Protea (projet SAFE-UV 2015-2016 et projet STIC 2017-2018). En complémentarité avec ses objectifs de recherche, l’équipe a par ailleurs développé de nouvelles collaborations internationales dans l’hémisphère sud, avec le Brésil (projet MESO, 2017-2020) et avec l’Argentine (projet Ecos-Sud, 2017-2019).

Il est à noter que l’activité « aérosols » dans l’équipe strato a été initiée en 2015 dans le cadre d’un projet BQR de l’UR et s’est poursuivie dans le cadre du programme LEFE (projet SATORI, 2016). Elle a bénéficié de soutien Préciput ANR et a fait l’objet d’une demande ANR JC, malheureusement infructueuse. Récemment, l’équipe a mis en place 2 projets OMNCG (ASTRE et MARIONETTE, 2018).

Parmi les éléments de bilan de la période 2014-2018, on trouve également le montage de 2 projets structurants pour l’équipe : le LIA ARSAIO franco sud-africain et le programme UV-indien INTERREG 5.

L’équipe est impliquée dans les activités de responsabilités scientifiques d’instruments de l’OPAR, particulièrement pour ce qui concerne le LiDAR ozone strato, le LiDAR aérosols, le spectromètre SAOZ et le spectromètre Bentham UV. Ce qui implique la participation de l’équipe dans différentes campagnes d’observation, comme la campagne "MORGANE" pour la labélisation NDACC des lidars de l'OPAR et les mesures in-situ d’aérosols par LOAC et par LiDAR programmées sur alerte lors des éruptions des stratovolcans (e.g, Kélud, Calbuco, ...).

L’équipe stratosphère principalement d’enseignants-chercheurs, ses membres participent et portent des responsabilités pédagogiques à différents niveaux L, M et D et contribuent significativement à la formation par la recherche.  Parmi les actions importantes de l’équipe, on trouve le portage et la direction du master international TRN (2012-2015), la direction de l’école doctorale régionale RAMI de l’AUF (2014-2018), le MOSS (Maïdo Observatory Summer School) (2016) et 5 summer schools co-organisées en Afrique du Sud (Cape Town 2013, Pretorea 2014, Durban 2015 et 2017) dans le cadre du GDRI ARASIO.

 

Les 3 principales thématiques de recherche de l’équipe sont :

1. Composition et transport des aérosols 

Participants

N. Bègue, H. Bencherif, T. Portafaix, T. Ramarolahy (LACy) 

La tropopause tropicale contrôle les échanges verticaux et agit comme une barrière dynamique. Les masses d’air troposphérique entrent dans la stratosphère par les régions tropicales (Holton et al., 1995). Ce transport aux tropiques est responsable de l’acheminement d’un grand nombre de composés importants tels que les aérosols et la vapeur d’eau. L'injection de SO2gazeux dans l’UT-LS par les éruptions volcaniques majeures est susceptible de générer des quantités importantes d'aérosols sulfatés pouvant séjourner pendant plusieurs années. Récemment, Vernier et al. (2011) ont mis en évidence, àpartir de mesures spatiales, que les éruptions modérées modulent le contenu en aérosols durant les périodes hors éruptions volcaniques majeures, dite période « de fond ». D’autres études révèlent la présence de populations d’aérosols absorbants en quantités significatives dans la basse stratosphère. Il s'agirait principalement d'aérosols organiques (Murphy et al., 2007; Renard et al., 2010).

Il demeure néanmoins des incertitudes sur la connaissance de ce contenu en aérosols au sein de l’UT-LS. Les observations in-situ, fournissant la distribution en taille et leurs paramètres intégrés (rayon effectif, densité de surface, extinction), manquent fortement aux latitudes tropicales sources d'aérosols sulfatés stratosphériques, alors qu'elles s'avèrent précieuses pour évaluer ou forcer la microphysique des modèles de Chimie-Climat.

Si ces aérosols sont soupçonnés jouer un rôle important sur le climat et la chimie de l’ozone stratosphérique (Bekki, 1997), il reste encore à poursuivre l’effort de recherche pour déterminer finement les propriétés optiques et microphysiques de ces aérosols au sein de l’UT-LS et, en particulier au sein des latitudes tropicales.   

Quelques exemples de résultats autour des aérosols stratosphériques aux tropiques

Figure 1: (a) Evolution de l’épaisseur optique calculée entre 17 et 30 km à 532 nm à partir des observations lidar (rouge), LOAC (bleu) et satellite (vert) entre novembre 2014 et novembre 2016 à la Réunion 

Figure 2 :Champs de PV (vorticité potentielle) advectés par le modèle MIMOSA à 400 K le 1er mai 2015. Les positions des barrières dynamiques sont calculées par le code DyBaL et indiquées en traits continus. Les points blancs indiquent la position du panache d’aérosols obtenue avec OMPS.

 

2. Ondes et dynamique de la moyenne atmosphère

Participants

H. Bencherif, N. Bègue, T. Portafaix, R.T. Loua (LACy)

Contexte

L’atmosphère terrestre est structurée verticalement en fonction du gradient de température. La moyenne atmosphère - stratosphère et mésosphère- est une région de transition qui recouvre une large gamme d’altitude. Elle fait le lien avec :

     la troposphère, couche basse de l’atmosphère en interaction avec la biosphère et sous influence des activités anthropogéniques, et

     la thermosphère, située au sommet de l’atmosphère en contact direct avec les radiations solaires.

La moyenne atmosphère (MA) se trouve ainsi soumise à une action conjuguée du changement climatique, du fait des activités anthropogéniques, et de la variabilité naturelle. L’augmentation dans l’atmosphère des concentrations des GES induit un réchauffement global dans la troposphère et un refroidissement global dans la MA.

Cependant, contrairement à la troposphère, la MA est une région où les observations sont clairsemées ou peu résolues. Des études récentes ont démontré que la dynamique de la MA agit à la fois sur la météorologie et sur le climat dans les basses couches -troposphère- (Charlton et al., 2004). Les recherches en cours sur l’amélioration des prévisions météorologiques et des prévisions climatiques doivent avoir une représentation complète de la MA dans les modèles. Mais, cette dernière est très peu observée au-delà de l’altitude maximum des radiosondages (environ 30 km).

Nous distinguons dans ce sous-thème 2 régions d’altitude :

- la basse et moyenne stratosphère, couche allant de la tropopause jusqu’à environ 10 hPa (correspondant à l’altitude maximale des radiosondages avec ozone)

- la haute stratosphère et la mésosphère, où certains processus dynamiques, comme les ondes de gravité, s’amplifient.

Quelques exemples de résultats

A.   Analyse l’influence du trou d’ozone Antarctique en région subtropical (Figure 3).

Figure 3 : Distribution des champs de PV (vorticité potentielle) advectés par le modèle MIMOSA à 675K (à gauche) et 850K (à droite), lors d’un évènement d’échanges méridien observé le 14 octobre 2012 au sud du Brésil. Les positions des barrières dynamiques sont calculées par le code DyBaL et indiquées en traits continus. Le symbole X indique la localisation du site d’observation brésilien SSO - Southern Space Observatory. 

 

B.   Etude comparative de la variabilité des inversions de température mésosphériques (ITM), en relation avec la propagation des ondes dans la MA. 

Figure 4 : Profils de température LiDAR et SABER, avec inversion mésosphérique, mesurés le 13 juin 2005. Bègue et al. (2017)

                                    

3. Variabilité de l’ozone et des rayonnements UV dans Océan Indien

Participants

T. Portafaix, H. Bencherif, N. Bègue, O. Delage, J.M. Cadet, K. Lamy (LACy), 

Contexte scientifique

Le protocole de Montréal en 1987 a permis la régulation des rejets de substances destructrices d'ozone (ODS) dans l’atmosphère et ainsi de contrôler progressivement la destruction de l'ozone stratosphérique. De nombreux signes de ‘recovery’ sont déjà observés sur la planète à diverses latitudes. Pour autant, les déséquilibres climatiques importants produits par les émissions anthropiques massives de gaz à effet de serre (GES) laissent incertaine l'évolution future de l’ozone, et donc du rayonnement UV en surface. Plusieurs auteurs ont montré que l’augmentation de la concentration des GES dans l'atmosphère provoque une accélération de la circulation de Brewer-Dobson (Rind et al., 1990 ; Lin and Fu, 2013). L'ozone est transporté plus rapidement des tropiques vers les pôles, induisant une augmentation de la colonne totale d'ozone aux moyennes latitudes et une diminution aux tropiques. Le rayonnement UV (RUV) à la surface, fortement dépendant de l'ozone, devrait donc augmenter aux tropiques (Hegglin and Shepherd, 2009, Butler et al., 2016), dans des régions où les expositions naturelles sont déjà critiques.

Les questions scientifiques liées à la variabilité de l’ozone et des RUV (mesures et modèles) aux tropiques sont donc fondamentales et constituent un enjeu majeur de santé publique.

Quelques exemples de résultats

A.   Mesure de l’ozone stratosphérique par lidar DIAL ozone – Observatoire du Maïdo

 Figure 5 : Comparaisons du lidar DIAL ozone avec les mesures du radiomètre micro-onde GROMOS-C  (d’après Fernandez et al., 2016)

B.   Mesure et variabilité climatique des Rayonnements UV

Figure 6 : Variation relative globale des UVi et des colonne totale d'ozone à la fin du 21eme siècle (d'après Lamy et al., 2018b ACP)

PRINCIPALES PUBLICATIONS (2014-2018) : 

 

   Bègue, N.,  Vignelles, D., Berthet, G., Portafaix, T., Payen, G., Jégou, F., Renard, J. B. L. Clarisse, V. Duverger, F. Posny, J.-M. Metzger and S. Godin-Beekmann : Long-range transport of stratospheric aerosols over Southern Hemisphere following the Calbuco eruption in April 2015. Atmospheric Chemistry and Physics, 17, 15019-15036, 2017.

     Bègue N., Mbatha N., Bencherif H., Loua R. T., Sivakumar V., and Leblanc T.: Statistical analysis of the mesospheric inversion layers over two symmetrical tropical sites: Réunion (20.8°S, 55.5°E) and Mauna Loa (19.5°N, 155.6°W), Ann. Geophys., 35, 1177-1194, doi.org/10.5194/angeo-35-1177-2017, 2017

   Berthet, G., Jégou, F., Catoire, V., Krysztofiak, G., Renard, J. B., Bourassa, A. E., J.-B. Renard, A. E. Bourassa, D. A. Degenstein, C. Brogniez, M. Dorf, S. Kreycy, K. Pfeilsticker, B. Werner, F. Lefèvre, T. J. Roberts, T. Lurton, D. Vignelles, N. Bègue, Q. Bourgeois, D. Daugeron, M. Chartier, C. Robert, B. Gaubicher, and C. Guimbaud and K. Pfeilsticker : Impact of a moderate volcanic eruption on chemistry in the lower stratosphere: balloon-borne observations and model calculations. Atmospheric Chemistry and Physics, 17(3), 2229-2253, 2017

 Cadet J.M., H. Bencherif, C.Y. Wright, T. Portafaix, K. Ncongwane and G.J.R. Coetzee, Comparison of ground-based and satellite-derived solar ultraviolet radiation levels at six South Africa sites, Int. J. Environ. Res. Public Health, 14, 1384; doi:10.3390/ijerph14111384, 2017

      Fernandez, S., R. Rüfenacht, N. Kämpfer, T. Portafaix, F. Posny, and G. Payen, Results from the validation campaign of the ozone radiometer GROMOS-C at the NDACC station of La Réunion Island, Atmos. Chem. Phys., 16, 7531–7543, 2016

     Hubert, D., Lambert, J.-C., Verhoelst, T., Granville, J., Keppens, A., Baray, J.-L., Bourassa, A. E., Cortesi, U., Degenstein, D. A., Froidevaux, L., Godin-Beekmann, S., Hoppel, K. W., Johnson, B. J., Kyrölä, E., Leblanc, T., Lichtenberg, G., Marchand, M., McElroy, C. T., Murtagh, D., Nakane, H.,Portafaix, T., Querel, R., Russell III, J. M., Salvador, J., Smit, H. G. J., Stebel, K., Steinbrecht, W., Strawbridge, K. B., Stübi, R., Swart, D. P. J., Taha, G., Tarasick, D. W., Thompson, A. M., Urban, J., van Gijsel, J. A. E., Van Malderen, R., von der Gathen, P., Walker, K. A., Wolfram, E., and Zawodny, J. M.: Ground-based assessment of the bias and long-term stability of 14 limb and occultation ozone profile data records, Atmos. Meas. Tech., 9, 2497-2534, doi:10.5194/amt-9-2497-2016, 2016

    Lamy K., Portafaix T., Brogniez C., Godin-Beekmann S., Bencherif H., Morel B., Pazmino A., Metzger J. M., Auriol F., Deroo C., Duflot V., Goloub P., and Long C. N.: Ultraviolet radiation modelling from ground-based and satellite measurements on Reunion Island, southern tropics, Atmos. Chem. Phys., 18, 227-246, doi.org/10.5194/acp-18-227-2018, 2018

      Loua, R.T., M. Beavogui, H. Bencherif, A.B. Barry, Z. Bamba, and C.A. Mazodier, Climatology of Guinea: Study of Climate Variability in N’zerekore, J. of Agri. Sc. and Techno. A, 7, 215-233, doi: 10.17265/2161-6256/2017.04.001, 2017

     Sharma, S., P. Kumar, C. Jethva, R. Vaishnav, and H. Bencherif,Investigations of the middle atmospheric thermal structure and oscillations over subtropical regions in the Northern and Southern Hemispheres, Clim. Dyn., DOI 10.1007/s00382-016-3293-2, 2016

     Toihir A.M.T. Portafaix, V. Sivakumar, H. Bencherif, A. Pazmiño, N. Bègue, Variability and trend of ozone over the southern tropics and subtropics, Ann. Geophys., 2018.

     Vaz Peres, L., Bencherif, H., Mbatha, N., Passaglia Schuch, A., Toihir, A. M., Bègue, N., Portafaix, T., Anabor, V., Kirsch Pinheiro, D., Paes Leme, N. M., Bageston, J. V., and Schuch, N. J.: Measurements of the total ozone column using a Brewer spectrophotometer and TOMS and OMI satellite instruments over the Southern Space Observatory in Brazil, Ann. Geophys., 35, 25-37, doi:10.5194/angeo-35-25-2017, 2017

      Venturini, M. S., Bageston, J. V., Caetano, N. R., Peres, L. V., Bencherif, H., and Schuch, N. J.: Mesopause region temperature variability and its trend in southern Brazil, Ann. Geophys., 36, 301-310, doi.org/10.5194/angeo-36-301-2018, 2018.