Stratosphère

La stratosphère ( / ˈ s t r æ t ə ˌ s f ɪər , -t oʊ – / ) est la deuxième couche de l ‘ atmosphère de la Terre , située au – dessus de la troposphère et au – dessous de la mésosphère . ^{[3] [4]} La stratosphère est une couche atmosphérique composée de couchescouches de température, avec les couches chaudes d’air haut dans le ciel et les couches froides d’air dans le ciel bas, près de la surface planétaire de la Terre. L’augmentation de la température avec l’altitude est le résultat de l’absorption du rayonnement ultraviolet (UV) du Soleil par la couche d’ozone . ^[5] L’Inversion de température contraste avec la troposphère, près de la surface de la Terre, où la température diminue avec l’altitude.

La navette spatiale Endeavour semble chevaucher la stratosphère et la mésosphère sur cette photo de 2010. “La couche orange est la troposphère , où tout le temps et les nuages ​​sont générés et contenus. Cette couche orange cède la place à la stratosphère blanchâtre puis à la mésosphère.” ^[1] (La navette est en fait en orbite à plus de 320 km (200 mi) d’altitude, bien au-dessus de cette couche de transition.) Cette image montre la tendance de la température dans la basse stratosphère mesurée par une série d’instruments satellitaires entre janvier 1979 et décembre 2005. La basse stratosphère est centrée à environ 18 kilomètres au-dessus de la surface de la Terre. L’image de la stratosphère est dominée par les bleus et les verts, ce qui indique un refroidissement dans le temps. ^[2] Diagramme montrant les cinq couches primaires de l’atmosphère terrestre : exosphère , thermosphère , mésosphère , stratosphère et troposphère . Les calques sont à l’échelle. De la surface de la Terre au sommet de la stratosphère (50 km) se trouve un peu moins de 1 % du rayon de la Terre.

Entre la troposphère et la stratosphère se trouve la frontière de la tropopause qui délimite le début de l’ Inversion de température . Près de l’équateur, le bord inférieur de la stratosphère est aussi haut que 20 km (66 000 pieds ; 12 mi), aux latitudes moyennes autour de 10 km (33 000 pieds ; 6,2 mi), et aux pôles à environ 7 km (23 000 pieds ; 4,3 mi ). ^[5] Les températures varient d’une moyenne de -51 ° C (-60 ° F; 220 K) près de la tropopause à une moyenne de -15 ° C (5,0 ° F; 260 K) près de la mésosphère. ^[6] Les températures stratosphériques varient également dans la stratosphère à mesure que les saisons changent, atteignant des températures particulièrement basses dans la nuit polaire (hiver). ^[7]Les vents dans la stratosphère peuvent dépasser de loin ceux de la troposphère, atteignant près de 60 m/s (220 km/h ; 130 mph) dans le vortex polaire sud . ^[7]

Couche d’ozone

Le mécanisme décrivant la formation de la couche d’ozone a été décrit par le mathématicien britannique Sydney Chapman en 1930. ^[8] L’oxygène moléculaire absorbe la lumière solaire à haute énergie dans la région UV-C , à des longueurs d’onde inférieures à environ 240 nm. Les radicaux produits à partir des molécules d’oxygène divisées de manière homolytique se combinent avec l’oxygène moléculaire pour former de l’ozone. L’ozone à son tour est photolysé beaucoup plus rapidement que l’oxygène moléculaire car il a une absorption plus forte qui se produit à des longueurs d’onde plus longues, où l’émission solaire est plus intense. La photolyse de l’ ozone (O ₃ ) produit O et O ₂ . L’atome d’oxygène produit se combine avec l’oxygène moléculaire atmosphérique pour reformer O ₃, libérant de la chaleur. La photolyse et la reformation rapides de l’ozone chauffent la stratosphère, entraînant une Inversion de température. Cette augmentation de température avec l’altitude est caractéristique de la stratosphère ; sa résistance au mélange vertical signifie qu’il est stratifié. Dans la stratosphère, les températures augmentent avec l’altitude (voir Inversion de température ) ; le sommet de la stratosphère a une température d’environ 270 K (−3 °C ou 26,6 °F ). ^[9]

Cette stratification verticale , avec des couches plus chaudes au-dessus et des couches plus froides en dessous, rend la stratosphère dynamiquement stable : il n’y a pas de convection régulière et de turbulence associée dans cette partie de l’atmosphère. Cependant, des processus de convection exceptionnellement énergétiques, tels que des colonnes d’éruptions volcaniques et des sommets de dépassement dans des orages supercellulaires violents , peuvent transporter la convection dans la stratosphère sur une base très locale et temporaire. Globalement, l’atténuation des UV solaires à des longueurs d’onde qui endommagent l’ADN par la couche d’ozone permet à la vie d’exister à la surface de la planète en dehors de l’océan. Tout l’air entrant dans la stratosphère doit passer par la tropopause, le minimum de température qui divise la troposphère et la stratosphère. L’air qui monte est littéralement lyophilisé ; la stratosphère est un endroit très sec. Le sommet de la stratosphère s’appelle la stratopause , au-dessus de laquelle la température diminue avec l’altitude.

Formation

Sydney Chapman a donné une description correcte de la source d’ozone stratosphérique et de sa capacité à générer de la chaleur dans la stratosphère ; ^{[ la citation nécessaire ]} il a également écrit que l’ozone peut être détruit en réagissant avec l’oxygène atomique, faisant deux molécules d’oxygène moléculaire. Nous savons maintenant qu’il existe d’autres mécanismes de perte d’ozone et que ces mécanismes sont catalytiques, ce qui signifie qu’une petite quantité de catalyseur peut détruire un grand nombre de molécules d’ozone. La première est due à la réaction des radicaux hydroxyles (•OH) avec l’ozone. •OH est formé par la réaction d’atomes d’oxygène électriquement excités produits par la photolyse de l’ozone, avec de la vapeur d’eau. Alors que la stratosphère est sèche, de la vapeur d’eau supplémentaire est produite in situ par l’oxydation photochimique deméthane (CH ₄ ). Le radical HO ₂ produit par la réaction de OH avec O ₃ est recyclé en OH par réaction avec des atomes d’oxygène ou d’ozone. De plus, les événements de protons solaires peuvent affecter de manière significative les niveaux d’ozone via la radiolyse avec la formation ultérieure d’OH. Le protoxyde d’azote (N ₂ O) est produit par l’activité biologique à la surface et est oxydé en NO dans la stratosphère ; les soi-disant cycles radicaux NO _x appauvrissent également l’ozone stratosphérique. Enfin, les molécules de chlorofluorocarbone sont photolysées dans la stratosphère en libérant des atomes de chlore qui réagissent avec l’ozone en donnant ClO et O ₂. Les atomes de chlore sont recyclés lorsque ClO réagit avec O dans la stratosphère supérieure, ou lorsque ClO réagit avec lui-même dans la chimie du trou d’ozone antarctique.

Paul J. Crutzen, Mario J. Molina et F. Sherwood Rowland ont reçu le prix Nobel de chimie en 1995 pour leurs travaux décrivant la formation et la décomposition de l’ozone stratosphérique. ^[dix]

Vol en avion

Les aéronefs naviguent généralement dans la stratosphère pour éviter les turbulences endémiques dans la troposphère . Le faisceau bleu sur cette image est la couche d’ozone , rayonnant plus loin vers la mésosphère . L’ ozone réchauffe la stratosphère, ce qui rend les conditions stables. La stratosphère est aussi la limite d’altitude des avions à réaction et des ballons météorologiques , car l’air y est environ mille fois plus fin que dans la troposphère. ^[11]

Les avions de ligne commerciaux naviguent généralement à des altitudes de 9 à 12 km (30 000 à 39 000 pieds), ce qui se situe dans la partie inférieure de la stratosphère aux latitudes tempérées. ^[12] Cela optimise le rendement énergétique , principalement en raison des basses températures rencontrées près de la tropopause et de la faible densité de l’air, réduisant la traînée parasite sur la cellule . Autrement dit, cela permet à l’avion de ligne de voler plus vite tout en maintenant une portance égale au poids de l’avion. (La consommation de carburant dépend de la traînée, qui est liée à la portance par le rapport portance / traînée .) Cela permet également à l’avion de rester au-dessus des conditions météorologiques turbulentes de la troposphère.

L’ avion Concorde a navigué à Mach 2 à environ 60 000 pieds (18 km) et le SR-71 a navigué à Mach 3 à 85 000 pieds (26 km), le tout dans la stratosphère.

Parce que la température dans la tropopause et la basse stratosphère est en grande partie constante avec l’augmentation de l’altitude, très peu de convection et la turbulence qui en résulte s’y produisent. La plupart des turbulences à cette altitude sont causées par des variations du courant- jet et d’autres cisaillements de vent locaux, bien que les zones d’activité convective significative ( orages ) dans la troposphère en dessous puissent produire des turbulences à la suite d’un dépassement convectif .

Le 24 octobre 2014, Alan Eustace est devenu le détenteur du record d’altitude pour un ballon habité à 135 890 pieds (41 419 m). ^[13] Eustace a également battu les records du monde de parachutisme à vitesse verticale, atteints avec une vitesse de pointe de 1 321 km/h (822 mph) et une distance totale de chute libre de 123 414 pieds (37 617 m) – durant quatre minutes et 27 secondes. ^[14]

Circulation et mélange

La stratosphère est une région d’interactions intenses entre les processus radiatifs, dynamiques et chimiques, dans laquelle le mélange horizontal des composants gazeux se produit beaucoup plus rapidement que le mélange vertical. La circulation globale de la stratosphère est appelée circulation de Brewer-Dobson , qui est une circulation unicellulaire, s’étendant des tropiques jusqu’aux pôles, consistant en la remontée tropicale d’air de la troposphère tropicale et la descente extratropicale d’air. . La circulation stratosphérique est une circulation principalement entraînée par les vagues en ce que la remontée d’eau tropicale est induite par la force des vagues par les ondes de Rossby se propageant vers l’ouest , dans un phénomène appelé pompage des ondes de Rossby.

Une caractéristique intéressante de la circulation stratosphérique est l’ oscillation quasi-biennale (QBO) dans les latitudes tropicales, qui est entraînée par des ondes de gravité générées par convection dans la troposphère . Le QBO induit une circulation secondaire importante pour le transport stratosphérique global de traceurs, comme l’ ozone ^[15] ou la vapeur d’eau .

Une autre caractéristique à grande échelle qui influence de manière significative la circulation stratosphérique est le déferlement des ondes planétaires ^[16] entraînant un mélange quasi-horizontal intense aux latitudes moyennes. Ce déferlement est beaucoup plus prononcé dans l’hémisphère hivernal où cette région est appelée la zone de surf. Cette rupture est due à une interaction hautement non linéaire entre les ondes planétaires se propageant verticalement et la région isolée de vorticité à haut potentiel connue sous le nom de vortex polaire . La rupture qui en résulte provoque un mélange à grande échelle d’air et d’autres gaz traces dans toute la zone de surf des latitudes moyennes. L’échelle de temps de ce mélange rapide est beaucoup plus petite que les échelles de temps beaucoup plus lentes de la remontée d’eau dans les tropiques et de la descente dans les extratropiques.

Pendant les hivers de l’hémisphère nord, des Réchauffements stratosphériques soudains , causés par l’absorption des ondes de Rossby dans la stratosphère, peuvent être observés dans environ la moitié des hivers lorsque des vents d’est se développent dans la stratosphère. Ces événements précèdent souvent des conditions hivernales inhabituelles ^[17] et peuvent même être responsables des froids hivers européens des années 1960. ^[18]

Le réchauffement stratosphérique du vortex polaire entraîne son affaiblissement. ^[19] Lorsque le vortex est fort, il retient les masses d’air froid à haute pression contenues dans l’ Arctique ; lorsque le vortex s’affaiblit, les masses d’air se déplacent vers l’équateur et entraînent des changements rapides de temps aux latitudes moyennes.

La vie

Bactéries

La vie bactérienne survit dans la stratosphère, ce qui en fait une partie de la biosphère . ^[20] En 2001, la poussière a été collectée à une hauteur de 41 kilomètres dans une expérience de ballon à haute altitude et s’est avérée contenir du matériel bactérien lors d’un examen ultérieur en laboratoire. ^[21]

Des oiseaux

Certaines espèces d’oiseaux volent dans les niveaux supérieurs de la troposphère. Le 29 novembre 1973, un vautour de Rüppell ( Gyps rueppelli ) a été ingéré dans un moteur à réaction à 11 278 m (37 000 pieds) au-dessus de la Côte d’Ivoire , et des oies à tête barrée ( Anser indicus ) auraient survolé le sommet du mont Everest , qui est à 8 848 m (29 029 pieds). ^{[22] [23] [24]}

Découverte

En 1902, Léon Teisserenc de Bort de France et Richard Assmann d’Allemagne, dans des publications séparées mais coordonnées et après des années d’observations, ont publié la découverte d’une couche isotherme à environ 11-14 km, qui est la base de la basse stratosphère. Ceci était basé sur les profils de température de ballons instrumentés pour la plupart sans pilote et de quelques ballons habités. ^[25]

Voir également

• Le Grand Saut
• Lockheed U-2
• Haut de dépassement
• Appauvrissement de l’ozone
• Paris Gun (le projectile a été le premier objet artificiel à atteindre la stratosphère)
• Projet Perlan
• Project Excelsior , record du monde du plus haut saut enregistré
• Red Bull Stratos
• Faucon mondial RQ-4
• Plafond de prestations
• Foudre dans la haute atmosphère

Références

1. ^ “Légende ISS022-E-062672” . NASA . Archivé de l’original le 19 novembre 2012 . Récupéré le 21 septembre 2012 .
2. ^ “Tendances de la température atmosphérique, 1979–2005” . NASA/Observatoire de la Terre . 6 juillet 2007. Archivé de l’original le 5 septembre 2015 . Récupéré le 24 août 2015 .
3. ^ Jones, Daniel (2003) [1917], Peter Roach; James Hartmann; Jane Setter (eds.), English Pronouncing Dictionary , Cambridge: Cambridge University Press , ISBN 978-3-12-539683-8
4. ^ “Stratosphère” . Dictionnaire Merriam-Webster .
5. ^ ^{un b} “La Stratosphère – vue d’ensemble” . scied.ucar.edu . Corporation universitaire pour la recherche atmosphérique . Récupéré le 25 juillet 2018 .
6. ^ “NWS JetStream – Couches de l’atmosphère” . www.weather.gov .
7. ^ ^{un b} “Nasa Ozone Watch : faits de vortex polaire” . ozonewatch.gsfc.nasa.gov .
8. ^ “CHAPITRE 10. OZONE STRATOSPHÉRIQUE” . acmg.seas.harvard.edu . Archivé de l’original le 2019-09-30 . Récupéré le 20/10/2020 .
9. ^ Seinfeld, JH et SN (2006), Chimie et physique atmosphériques: De la pollution atmosphérique au changement climatique 2e éd, Wiley, New Jersey
10. ^ “Le prix Nobel de chimie 1995” . PrixNobel.org . Récupéré le 21/07/2020 .
11. ^ “La stratosphère – vue d’ensemble | Centre UCAR pour l’éducation scientifique” . Centre national d’enseignement des sciences . Récupéré le 06/02/2021 .
12. ^ Cheng, Daniel (2003). Elert, Glenn (éd.). “Altitude d’un avion à réaction commercial” . Le Factbook de Physique . Récupéré le 21/01/2022 .
13. ^ Markoff, John (2014-10-24). “Chute du record du parachutiste: plus de 25 miles en 15 minutes (publié en 2014)” . Le New York Times . ISSN 0362-4331 . Récupéré le 20/10/2020 .
14. ^ “Alan Eustace de Google bat le record de parachutisme de Baumgartner” . Nouvelles de la BBC . 2014-10-24. Archivé de l’original le 2014-10-25.
15. ^ N.Butchart, AA Scaife, J. Austin, SHE Hare, JR Knight. Oscillation quasi-biennale de l’ozone dans un modèle couplé chimie-climat Archivé le 18/05/2014 à la Wayback Machine , Journal of Geophysical Research.
16. ^ ME McIntyre , TN Palmer. Ondes planétaires déferlantes dans la stratosphère Archivé le 17/03/2017 à la Wayback Machine , Nature.
17. ^ MP Baldwin et TJ Dunkerton. ‘ Présages stratosphériques de régimes météorologiques anormaux Archivé le 12/01/2014 à la Wayback Machine , Science Magazine.
18. ^ AA Scaife, JR Knight, GK Vallis, CK Folland. Une influence stratosphérique sur la NAO hivernale et le climat de surface de l’Atlantique Nord Archivé le 18/05/2014 à la Wayback Machine , Geophysical Research Letters.
19. ^ “Comment le réchauffement stratosphérique soudain affecte toute l’atmosphère” . Éos . 20 mars 2018 . Récupéré le 21/07/2020 .
20. ^ DasSarma, Priya; DasSarma, Shiladitya (2018). “La survie des microbes dans la stratosphère terrestre”. Opinion actuelle en microbiologie . 43 : 24–30. doi : 10.1016/j.mib.2017.11.002 . ISSN 1369-5274 . PMID 29156444 . S2CID 19041112 .
21. ^ Michael Mark Woolfson (2013). Le temps, l’espace, les étoiles et l’homme : l’histoire du Big Bang . Scientifique mondial. p. 388. ISBN 978-1-84816-933-3.
22. ^ Laybourne, Roxie C. (décembre 1974). « Collision entre un vautour et un avion à une altitude de 37 000 pieds » (PDF) . Le bulletin Wilson . 86 (4): 461–462. ISSN 0043-5643 . JSTOR 4160546 . OCLC 46381512 . Archivé (PDF) de l’original le 2014-02-22.
23. ^ “Audubon : Oiseaux” . Audubonmagazine.org. Archivé de l’original le 14/09/2011 . Récupéré le 08/11/2011 .
24. ^ Thomas Alerstam; David A. Christie; Astrid Ulfstrand (1993). Migration des oiseaux . La presse de l’Universite de Cambridge. p. 276.ISBN _ 978-0-521-44822-2.
25. ^ Steinhagen, Hans (2005), Der Wettermann – Leben und Werk Richard Aßmanns , Neuenhagen, Allemagne : Findling, ISBN 978-3-933603-33-3

Liens externes

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• Carte actuelle des vents mondiaux et des températures au niveau de 10 hPa.

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