L'Australie a été dramatiquement touchée par les terribles mégafeux dont les fumées ont traversé les océans. Et même au-delà de la terre ferme jusque dans le ciel. Une étude a fait l'observation de l’impact des Pyrocumulonimbus, phénomène atmosphérique spectaculaire et rare jusqu'à présent, dont les répercussions sont non négligeables sur la stratosphère, la deuxième couche principale de l’atmosphère.

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Cette étude est le résultat d'une collaboration internationale, impliquant trois laboratoires de l'Institut Pierre Simon LaplaceSimon Laplace. Elle vient d'être publiée dans la la nouvelle revue du groupe Springer Nature Communication Earth and Environment. Sergey Khaykin, premier auteur de l'article et chercheur au Latmos /IPSL, revient sur cette découverte et explique comment les incendies des forêts australiennes ont pu avoir un impact sur la stratosphèrestratosphère.

Un phénomène atmosphérique spectaculaire associé à des feux de forêt très intenses consiste en des oragesorages appelés Pyrocumulonimbus (PyroCb). Ces orages violents, portés par la chaleurchaleur des feux de forêt, peuvent générer de puissants courants ascendants, envoyant des panaches de particules de suiesuie et de glace dans la stratosphère.

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Sans le lessivagelessivage par les précipitationsprécipitations, les particules de suie peuvent résider pendant de nombreux mois dans la stratosphère. Une fois dans la stratosphère, elles montent de plusieurs centaines de mètres par jour en raison du réchauffement de l'airair, causé par l'absorptionabsorption du rayonnement solairerayonnement solaire par les particules de carbonecarbone suie.

L'impact des Pyrocumulonimbus sur la stratosphère était considéré comme marginal jusqu'aux grands feux de forêt canadiens d'août 2017 qui ont provoqué des perturbations de la stratosphère à l’échelle planétaire, comparables à celles des éruptions volcaniques modérées.

Bulle de fumée observée par Caliop avec un contour blanc indiquant les limites du vortex. À droite : coupe longitudinale du vortex Koobor résolue par le système de prévision CEPMMT. © IPSL

Les panaches de fumée, prisonniers d'un spectaculaire vortex ellipsoïdal

Cependant, jusqu'à la saisonsaison des feux de forêt en Australie en 2019-2020, personne n'aurait pu imaginer les effets stratosphériques des feux de forêt. L'« été noir » australien a été marqué par une activité des Pyrocumulonimbus exceptionnellement forte dans le sud-est du continent avec 5,8 millions d'hectares de forêt brûlée.

Le plus fort événement, qui s'est produit la veille du Nouvel An, a soulevé un colossal nuagenuage de mélange de fumée et de glace jusqu'à 15 km d'altitude. Deux semaines plus tard, les observations par satellite montraient déjà que la perturbation stratosphérique générée avait largement dépassé celle des feux des forêts canadiennes de 2017.

Mais quelles données a-t-on sur les incendies australiens ? « Les feux de brousse faisaient encore rage en Australie lorsque nous avons commencé à suivre leurs panaches de fumée qui se dispersaient dans tout l'hémisphère Sud, explique Sergey Khaykin, premier auteur de l'article et chercheur au Latmos /IPSL. Nous avons examiné les données de plusieurs instruments de surveillance de l'atmosphèreatmosphère par satellite, notamment les mesures à très haute résolutionrésolution des panaches d'aérosolsaérosols réalisées par le lidarlidar Caliop [Cloud-Aerosol LIdar with Orthogonal Polarization]. »

Les données de Caliop ont mis en évidence une énorme bulle de fumée d'environ 1.000 km de large et 7 km de haut étonnamment compacte qui s'élevait dans la stratosphère.

Un vortex anticyclonique quasi ellipsoïdal entourant la bulle de fumée montante

La plus grande surprise est venue lorsque les chercheurs ont examiné les données météorologiques produites par le système de prévisions opérationnelles du CEPMMT (Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme), qui assimile la quasi-totalité des observations atmosphériques disponibles. Les champs de ventvent ont révélé un vortexvortex (tourbillontourbillon d'air) anticyclonique quasi ellipsoïdal entourant la bulle de fumée montante.

Feux de forêt australiens 2019. © ESA, CC by-sa 3.0 IGO
Feux de forêt australiens 2019. © ESA, CC by-sa 3.0 IGO

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Ce gigantesque tourbillon, créé par le réchauffement local par les particules, a maintenu la bulle de fumée confinée au sein de vents très forts pendant toute sa duréedurée de vie. La bulle tourbillonnante contenait non seulement des particules de fumée, mais aussi plusieurs mégatonnes d'eau et de gazgaz de combustioncombustion des feux comme le monoxyde de carbonemonoxyde de carbone (CO). On a aussi constaté que les concentrations d'ozoneozone étaient très faibles à l'intérieur de la bulle, indiquant un trou d'ozone de plusieurs centaines de kilomètres.

Un tourbillon qui s'auto-organise pour survivre

« À la mi-mars, la plupart d'entre nous étaient confinés dans leur maison à cause de la pandémiepandémie de Covid-19Covid-19, mais nous avons continué à suivre de près l'évolution du vortex issue de l'événement de PyroCb du Nouvel An, étonnés qu'il continue à exister et à s'élever, commente le chercheur. Dans notre équipe, le vortex a reçu le surnom de Koobor, en référence au premier KoalaKoala qui a grimpé au sommet des arbresarbres pour échapper à ceux qui le persécutaient, comme le dit une légende aborigène. »

Seulement cette fois, Koobor a grimpé jusqu'à la stratosphère pour échapper aux incendies ! En effet, le vortex a survécu trois mois, pendant lesquels il a parcouru plus de 66.000 km et a grimpé jusqu'à une altitude impressionnante de 35 km. La dernière fois que des nuages de particules d'aérosol ont été observés aussi haut dans la stratosphère, c'était après l'éruption majeure du mont Pinatubo en 1991 !

Le vortex a survécu trois mois (…) a parcouru plus de 66.000 km et a grimpé jusqu'à une altitude impressionnante de 35 km

Ce phénomène de vortex chargé de fumée n'a jamais été observé dans l'atmosphère et est spécifique au Pyrocumulonimbus. S'il est clair que le chauffage solaire par les particules de carbone noir a été la force motrice du maintien et de l'élévation du tourbillon de fumée, c'est un défi impressionnant de comprendre comment le tourbillon s'est auto-organisé et a survécu pendant si longtemps malgré toutes les perturbations atmosphériques externes.

Une autre découverte surprenante a été que le vortex Koobor avait une famille : deux petits vortex qui se sont développés à partir de petits nuages de fumée apparentés et ont survécu pendant de nombreuses semaines.

Voyage autour du monde de Koobor le vortex révélé par les champs météorologiques de l’CEPMMT. © IPSL

Que faut-il en déduire ?

La capacité des nuages de fumée à s'auto-organiser en structures confinées en ascension augmente le temps de résidence des particules qui absorbent le rayonnement solaire, prolongeant ainsi leurs effets sur le climatclimat de surface.

L'étude que le blocage à l'échelle planétaire du rayonnement solaire par les particules de fumée du vortex a eu un impact plus important que les éruptions volcaniqueséruptions volcaniques modérées des trois dernières décennies. Avec le changement climatiquechangement climatiquela fréquence et la gravité des feux de forêt devraient malheureusement augmenter. Les résultats suggèrent que l'empreinte sur la stratosphère du nombre croissant de feux de forêt devra être prise en compte dans les études sur le changement climatique.