Dossier : Climat   
    La recherche française sur le climat
  Les thèmes de recherche
  L'atmosphère, son évolution  
   
Evolution de la quantité de vapeur d’eau stratosphérique
Extrait de la Lettre n°17 Programme International Géosphère Biosphère-Programme Mondial de Recherches sur le Climat (PIGB-PMRC)


retour sommaire  

Certaines observations suggèrent que la quantité de vapeur d’eau stratosphérique augmente de façon quasi continue depuis une vingtaine d’années. La prise en compte de cette tendance par des modèles globaux montre qu’elle pourrait contribuer au réchauffement climatique à long terme. L’augmentation de vapeur d’eau stratosphérique pourrait aussi augmenter le taux de destruction d’ozone polaire par une intensification de la formation de nuages stratosphériques polaires.

     
     

Figure 1 - Profils de mélanges de vapeur d'eau
 

La vapeur d’eau stratosphérique

La répartition verticale de la vapeur d’eau est caractérisée, dans la troposphère, par la prédominance d’une décroissance quasi continue avec l’altitude jusqu’à la tropopause. Par contre, dans la stratosphère, la quantité de vapeur d’eau varie peu avec l’altitude : on y trouve une faible concentration en vapeur d’eau, la fraction molaire de vapeur d’eau (ou rapport de mélange volumique) étant de l’ordre de 5 ppmv au-delà de la région d’échange troposphère- stratosphère, c’est-à-dire à partir de 1 à 2 km au-dessus de la tropopause. Une légère augmentation avec l’altitude intervient du fait de l’oxydation du méthane, comme le montre la Figure 1 qui représente un profil typique de vapeur d’eau dans la stratosphère des moyennes latitudes, ainsi qu’un profil des hautes latitudes de l’hémisphère nord en dehors du vortex polaire.

     
     
   

Le constat actuel : la controverse

Une tendance à l’augmentation du contenu en vapeur d’eau stratosphérique au cours des 23 dernières années a été mise en évidence par des sondages ballons réguliers effectués à Boulder, USA, 40N. La tendance serait de l’ordre de 1% du rapport de mélange par an (Oltmans et al, 2000).

Toutefois il est difficile de généraliser à l’ensemble de la planète ce constat émanant d’observations effectuées en une région limitée du globe. C’est pourquoi une étude a été faite au moyen des observations satellitaires, en particulier celles de l’instrument HALOE du satellite UARS, mais sur période plus courte (1992D 2003, Randel et al., 2004) : après l’éruption du Pinatubo et jusqu’en 1996, l’augmentation moyenne de vapeur d’eau mise en évidence est cohérente avec les observations ballons à Boulder. Par contre globalement, sur toute la période d’observation HALOE, la tendance moyenne est quasi nulle (et même légèrement négative). Il est donc clair que l’on ne dispose pas du recul suffisant pour conclure à une tendance à long terme.

     
     
   

Les causes possibles d’une tendance

Si on prend l’hypothèse d’une augmentation de la concentration de vapeur d’eau stratosphérique de 1 % par an, environ un tiers de l’augmentation peut être attribuée à l’augmentation anthropique du méthane dans l’atmosphère. Il reste une inconnue pour la part complémentaire de l’augmentation : différentes hypothèses sont émises comme celle d’un changement dans la circulation stratosphérique globale, et – ou – celle d’échanges entre la troposphère et la stratosphère, comme conséquences d’un changement climatique en cours.

Certains auteurs (Joshi et Shine, 2003) ont montré que les éruptions volcaniques importantes qui ont eu lieu pendant la période 1960 à 2000 pourraient expliquer en grande partie l’augmentation de la vapeur d’eau stratosphérique constatée. Par opposition il n’y a pas eu d’éruption volcanique importante entre 1920 et 1960. Comme il n’existe pas de mesure précise de vapeur d’eau avant les années 60, il est impossible de vérifier cette hypothèse ! Il est néanmoins nécessaire de continuer la surveillance de la vapeur d’eau stratosphérique, d’autant que certains modèles suggèrent que l’augmentation de vapeur d’eau stratosphérique fait partie d’un changement climatique global à long terme et pourrait contribuer au réchauffement de la basse atmosphère.

     
     
   

Les moyens

Les observations satellitaires

L’intérêt des observations satellitaires est qu’elles permettent une couverture globale, mais des difficultés surviennent puisque la durée de vie des instruments embarqués sur satellite est limitée. Pour observer d’éventuelles tendances, on est donc amené à utiliser des séries de données émanant d’instruments différents. Cela nécessite de veiller à la qualité des mesures et en particulier aux dérives dans le temps. D’où la mise en place de campagnes pour la validation des mesures satellitaires au moyen d’instruments embarqués sur ballons comme celles actuellement mises en œuvre pour le satellite européen ENVISAT. Si les instruments embarqués sur ballons ne permettent pas une couverture globale comme les satellites, les profils obtenus ont une résolution verticale beaucoup plus importante et les mesures sont généralement plus précises. Les instruments embarqués sur ballons et satellites sont donc complémentaires.

     
   

Les ballons : mesure in situ

Le Laboratoire de Météorologie Dynamique (LMD) participe depuis plus de 15 ans à divers programmes qui impliquent la mesure in-situ de vapeur d’eau dans la moyenne et basse stratosphère et dans la haute troposphère. Ces programmes sont liés au problème de l’ozone polaire, à l’étude de la stratosphère équatoriale, à l’étude des cirrus et à l’étude de la pollution par les avions. L’instrument utilisé est un hygromètre à point de givre à miroir refroidi embarqué sur ballon pour les mesures dans la stratosphère, ou sur avion pour les mesures dans la troposphère. On ne s’intéressera ici qu’aux mesures dans la stratosphère, c’est-à-dire aux mesures ballons.

Deux types de ballons ont été utilisés : les Ballons Stratosphériques Ouverts (BSO) qui permettent de réaliser un profil pour des vols de durée de quelques heures, et les Montgolfières Infra-Rouges (MIR) qui sont des ballons à air chaud évoluant dans la stratosphère avec une durée de vie de plusieurs jours voire dizaines de jours. Ces ballons sont mis en œuvre par le Centre National d’Etudes Spatiales (CNES).

     
   

L’hygromètre du LMD

L’hygromètre du LMD fonctionne selon un principe physique simple : l’apparition de rosée ou givre sur un miroir refroidi est détectée de manière optique, et le miroir est maintenu à la température de condensation au moyen d’une boucle d’asservissement du refroidissement et réchauffage du miroir. La mesure de température, assurée par une thermistance insérée dans le miroir, donne la température du point de rosée ou givre de l’air en contact avec celui-ci. Ainsi on obtient une mesure directe d’un paramètre caractéristique de l’humidité de l’air, c’est pourquoi ce type d’instrument est considéré dans le domaine de la Métrologie de l’humidité, comme un étalon de transfert. Des vérifications d’étalonnage et des tests de l’hygromètre sont réalisés régulièrement au moyen du système d’étalonnage en vapeur d’eau du LMD qui permet la génération de faibles taux d’humidité dans une large gamme de pression atmosphérique. Ainsi l’hygromètre a été mis au point et continue d’être évalué dans les conditions environnantes identiques à celles rencontrées dans le stratosphère.

En plus de l’hygromètre, la nacelle ballon comporte un capteur de température et un capteur de pression atmosphérique. On détermine ainsi, la température du point de givre, le rapport de mélange de vapeur d’eau et l’humidité relative, soient toutes les composantes qui caractérisent la vapeur d’eau atmosphérique.

     
     
 
 
 
 

Figure 2 – Ensembles de profils mesurés à partir de Kiruna
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Figure 3 – Profils des latitudes moyennes associés aux profils des Hautes latitudes
 

Les résultats des vols de l’hygromètre du LMD

Hautes latitudes et latitudes moyennes : mesures en Ballon Stratosphérique Ouvert

La plupart des vols BSO, soit 20 vols, ont été effectués aux hautes latitudes, en arctique à partir de Kiruna (67°N), dans le cadre des programmes liés au problème de l’ozone polaire. Pour déceler une éventuelle tendance seuls les profils mesurés en dehors du vortex polaire ont été comparés. En effet, en hiver, la stratosphère polaire est isolée à l’intérieur d’un tourbillon dépressionnaire, le vortex polaire. Le refroidissement de l’air stratosphérique isolé à l’intérieur de ce vortex polaire produit une subsidence plus où moins accentuée des masses d’air qui a pour conséquence une grande variabilité de la concentration de vapeur d’eau en fonction de l’intensité du vortex. Par contre les profils mesurés en dehors du vortex sont relativement stables, comme le montre la Figure 2. L’ensemble des profils mesurés à partir de Kiruna en dehors du vortex en hiver 91 (Figure 2b) montre une faible variabilité, combinaison de l’incertitude de mesure et de la variabilité naturelle, qui est du même ordre que la variabilité décelée pendant la période 1991 à 2004 (Figure 2a) au-dessus de 18 km d’altitude.

Ainsi les mesures effectuées avec l’hygromètre du LMD au cours de la dernière décennie ne permettent pas de déceler une tendance à l’augmentation de vapeur d’eau stratosphérique en haute latitude de l’hémisphère nord (en dehors du vortex polaire arctique). En dessous de 18 km d’altitude les grandes variations observées proviennent de l’influence du transport à grande échelle des masses d’air provenant de différentes latitudes, en particulier des masses d’air sec provenant des régions tropicales engendrent un faible contenu en vapeur d’eau à ces niveaux.

En ce qui concerne les latitudes moyennes, entre 1987 et 1999, 5 vols BSO ont été effectués à partir d’Aire sur l’Adour (44N). On décèle une augmentation de l’ordre de 0.5 ppmv entre 1987-90 et 1999 entre 18 et 25 km d’altitude, comme le montre la Figure 3, ce qui est de l’ordre des 1% par an annoncés par certains auteurs. Comme les profils de la moyenne stratosphère des latitudes moyennes sont similaires aux profils hors vortex des hautes latitudes (cf. figure 1), on a aussi reporté sur la figure 3 le profil effectué en début 2004 aux hautes latitudes, en dehors du vortex polaire. L’impression d’une tendance depuis les années 90, entre 18 et 25 km d’altitude, disparaît. Ainsi, comme pour les hautes latitudes, il est impossible de conclure à une tendance sur les 15 dernières années. Si une tendance existe, à l’échelle de la décennie, elle est noyée dans la variabilité. Il est donc nécessaire de continuer à effectuer une surveillance à plus long terme pour lever le doute.

     

Figure 4 – P rofils moyens obtenus à partir des mesures effectuées en région équatoriale
 

Basses latitudes : mesures au moyen de ballons longue durée

Des vols de l’hygromètre du LMD ont été effectués au moyen de MIR (Montgolfières Infra Rouges) lancés à partir de Latacunga (1°S) en équateur. La MIR est un ballon à air chaud développé par le CNES et pouvant évoluer dans la stratosphère pendant plusieurs semaines. L’altitude de vol de ce ballon dépend du rayonnement capté : la nuit le ballon est chauffé par le rayonnement Infra Rouge terrestre et durant la journée le rayonnement solaire supplémentaire provoque une montée en altitude du ballon. Ainsi entre le jour et la nuit, le ballon évolue entre environ 27 et 20 km d’altitude. Les mesures de vapeur d’eau sont effectuées au cours du changement d’altitude du ballon, permettant ainsi l’obtention de profils stratosphériques le long de la trajectoire du ballon.

Deux campagnes se sont déroulées respectivement en 1991 et 1994. Les vols de 1991 eurent lieu en avril et mai, peu avant l’éruption volcanique intense du Pinatubo, dans une gamme de latitude 5°S à 20°S. Les vols de 1994 eurent lieu dans la même gamme de latitude. La Figure 4 montre la moyenne de l’ensemble des profils mesurés au cours de ces deux campagnes : on observe une nette augmentation de la quantité de vapeur d’eau, supérieure à la variabilité, de l’ordre de 0.5 ppmv entre 1991 et 1994, entre 21 et 27 km d’altitude. Cela semble confirmer les observations faites à partir du satellite UARS qui montrent une augmentation rapide, et du même ordre de grandeur, de la vapeur d’eau stratosphérique juste après l’éruption du Pinatubo, entre 1991 et 1995, suivie d’une stabilisation après 1996. Les éruptions volcaniques intenses pourraient donc contribuer pour une grande part à l’augmentation de la vapeur d’eau stratosphérique comme cela a été par ailleurs suggéré par certains modélistes.

     
     
   

Conclusion

Un certain nombre de profils de vapeur d’eau stratosphérique ont été mesurés depuis 1987 au moyen de l’hygromètre à point de givre embarqué sur ballons, développé par le LMD, tant aux latitudes moyennes qu’aux basses et hautes latitudes.

Bien que toutes ces mesures n’aient pas eu pour objectif une étude de tendance, elles ont été analysées afin d’essayer de lever le doute qui subsiste sur l’augmentation à long terme de la vapeur d’eau stratosphérique. L’augmentation tangible pendant une durée de l’ordre de 5 ans après l’éruption du Pinatubo observée au moyen du satellite UARS, semble être confirmée aux tropiques. Par contre, il n’a pas été possible de mettre en évidence une tendance continue sur les 15 ans d’observations aux moyennes et hautes latitudes.

Il est donc nécessaire de continuer les observations, mais de manière plus systématique, pour établir avec certitude s’il y a une augmentation à long terme de la vapeur d’eau stratosphérique. Devant les faibles quantités de vapeur d’eau à mesurer, l’utilisation de données provenant de différentes sources instrumentales, satellitaires ou in-situ, est délicate. D’où la nécessité d’évaluer les instruments les uns par rapport aux autres. L’hygromètre à point de givre est le bon candidat pour être instrument de référence.

Par ailleurs, la communauté scientifique française dispose d’un autre hygromètre performant, embarquable sur ballon : l’hygromètre SDLA du Service d’Aéronomie mis en œuvre par la division technique de l’INSU (Durry* et al, 2002, contact : Georges.Durry@aerov.jussieu.fr). Cet instrument, opérationnel depuis 1999, est un Spectromètre à Diode Laser Accordable qui a fait ses preuves, a été comparé à l’hygromètre du LMD, et présente l’avantage de faire une mesure conjointe du méthane. L’existence de ces deux instruments place donc la communauté française au premier plan pour l’étude et la surveillance de la vapeur d’eau stratosphérique.

Les programmes ballons ont été financés par le CNES, le CNRS (Programme National de Chimie Atmosphérique) et la Commission Européenne. Les ballons sont mis en œuvre par le CNES.

     
     
   

Contact : JoŽlle Ovarlez
Laboratoire de Météorologie Dynamique / IPSL
UMR CNRS – Ecole Polytechnique – ENS- Univ.Paris VI
Ecole Polytechnique, 91128 Palaiseau cedex

     


© CNRS - Contact : Sagascience@cnrs-dir.fr  - http://www.cnrs.fr