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Au coeur des nuages brésiliens, la campagne TROCCINOX - 2

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La composition de l'atmosphère, la couche d'ozone, le climat global de la Terre dépendent fortement des processus chimiques et physiques ayant lieu dans les régions tropicales. Mieux connaître ces phénomènes est le but de TROCCINOX (TROpical Convection, CIrrus and Nitrogen OXides experiment), un projet soutenu par la Commission Européenne et dont l'INSU est partenaire, qui se déroule au Brésil pour la seconde année consécutive. Un important dispositif scientifique fait intervenir trois avions de recherche instrumentés, des stations et réseaux d'observation au sol. Le Laboratoire d'Aérologie (CNRS-UPS) assure le suivi météorologique en réalisant la modélisation en temps quasi-réel nécessaire au déroulement de la campagne grâce à des simulations numériques basées sur le modèle Méso-NH et réalisées sur un calculateur vectoriel de l'IDRIS

Orage tropical près de Bauru, Brésil, observé le 20 février 2004 lors de la campagne TROCCINOX-1. © DLR. TROCCINOX.

Les zones tropicales sont le siège de phénomènes atmosphériques ayant un impact climatique considérable. La convection (mouvement ascendant de l'air) est très importante dans ces régions qui sont soumises à un fort ensoleillement. Elle contribue à la formation et aux transport de gaz traces(Si les gaz traces représentent une toute petite partie de l'air (généralement quelques molécules parmi des millions ou des milliards), ils jouent pourtant des rôles extrêmement importants pour le climat de la planète.), de vapeur d'eau, d'halogènes, mais aussi de particules comme les cristaux de glace et les aérosols. Un des objectifs de TROCCINOX est d'améliorer notre connaissance de ces mécanismes.

Par la foudre, les éclairs dans les orages produisent alors des espèces chimiques azotées ( NOx ) qui ont de multiples effets sur le climat et l'environnement. Ce sont notamment des précurseurs de l'ozone, et leur production par les éclairs est une des incertitudes majeures dans la connaissance de la distribution troposphérique de l'ozone(L'ozone troposphérique est celui présent entre le sol et la tropopause, situé vers 17 kilomètres d'altitude au Brésil. L'étude de la répartition planétaire de l'ozone distingue l'ozone stratosphérique, situé au Brésil au-dessus de 17 km, l'ozone troposphérique, et celui lié à la pollution dans les centres urbains, habituellement confiné au raz du sol.). La campagne TROCCINOX s'intéresse donc particulièrement à l'étude de la production des oxydes d'azote lors d'orages(Les autres sources naturelles d'oxyde d'azote sont principalement : les éruptions volcaniques, les activités bactériennes. Ce polluant est aussi émis par les industries et les automobiles).

Un des deux radars météorologiques mis en oeuvre pour TROCCINOX. Centre de recherche IPMet de Bauru (Brésil).© IPMet.

TROCCINOX est un projet européen proposé et dirigé par le DLR Deutschen Zentrum für Luft - und Raumfahrt. Le responsable de TROCCINOX est U. Schuman). Pour sa deuxième édition (TROCCINOX-2), il bénéficie de moyens d'observation lourds rassemblés à l'occasion d'une coopération internationale.

Avion instrumenté de haute altitude Géophysica (M55), en cours d'équipement au sol avant l'un de ses vols. © Géophysica. TROCCINOX.

Trois avions de recherche instrumentés sont mis en œuvre : le M55 Geophysica(Le M55 Geophysica est un avion russe permettant de voler à altitudes très élevées vers 20 km. C'est un des rares avions au monde réalisant de tels vols. Il est opéré par un consortium scientifique européen qui comprend en particulier l'Italie, l'Allemagne, les Pays-Bas et la France), un biréacteur Falcon(Le biréacteur Falcon est mis en œuvre par l'agence allemande DLR pour des vols instrumentés plus classiques aux altitudes moyennes vers 12 km) et un avion Bandeirante.

Avion instrumenté Falcon du DLR en vol vers 12 km d'altitude.© DLR.

Les observations au sol sont réalisées par deux stations de mesures par radar météorologique (villes proches à Bauru et Presidente Prudente), par un réseau sol de suivi électromagnétique de la foudre.

Avion instrumenté Bandeirante mis en œuvre par le Brésil pour l'étude de la basse atmosphère.© IPMet. TROCIBRAS.

Ces moyens sont mis en place par le DLR et le centre brésilien de l'IPMet, également responsable du réseau des observations météorologiques.

Le Laboratoire d'Aérologie a été chargé de réaliser des simulations en temps quasi-réel pour aider à la planification des observations faites par avions, en localisant à l'avance les zones favorables à la production des espèces azotées et des nuages glacés fins d'altitude. A Araçatuba, chaque matin lors de la réunion des responsables de l'expérience, les simulations réalisées en France durant la nuit précédente sont présentées et commentées via le Web par un des scientifiques du Laboratoire d'Aérologie.

Ces simulations sont réalisées quotidiennement sur la machine vectorielle NEC-SX5 de l'IDRIS (CNRS). Elles s'appuient sur Méso-NH, le modèle météorologique à mailles fines développé pour les besoins de la communauté française de recherche atmosphérique. Il est utilisable sur des échelles allant de la centaine de mètres à quelques milliers de kilomètres, et permet de représenter l'évolution des espèces chimiques atmosphériques. Pour TROCCINOX-2, Méso-NH est utilisé dans une version d'essai à basse résolution (30 km) mais dispose de représentations originales avancées des nuages et de la production orageuse de certaines espèces azotées.

Température de brillance (*) à 10,8 micron (bon indicateur de la convection profonde) le 31 janvier 2005 à 21h UTC. A gauche, observée par Meteosat-8 (Meteosat Second Generation-1), à droite simulée par le modèle Méso-NH. Les températures de brillances inférieures à 205°K (en blanc) indiquent des plafonds nuageux à des altitudes supérieures à 14 km. (*) Remarque : la télédétection ne mesure pas la température réelle d'un milieu, mais sa température de brillance, qui dépend de l'émissivité du milieu étudié. © Laboratoire d'Aérologie. TROCCINOX.

En ce qui concerne les nuages, Méso-NH suppose que la condensation est aléatoire à petite échelle et elle est décrite de façon statistique en chaque point de calcul. Cette méthode permet en principe d'accroître le réalisme des résultats mais s'avère plus coûteuse.

Prévision des oxydes d'azotes produits par les éclairs pour le premier février 2005. A gauche, coupe horizontale à 300 hPa, à droite, coupe verticale le long du méridien de Bauru.© Laboratoire d'Aérologie. TROCCINOX.

Pour la production des espèces azotées dans les orages, le modèle chiffre en moyenne la fréquence et l'intensité des éclairs à partir de ses calculs nuageux, puis estime la production moyenne des espèces azotées dans la masse de chaque orage.

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