Observations par Ballons et Modélisation pour la Tropopause et la Basse Stratosphère dans les Tropiques – BOOST3R

Le projet s'est appuyé sur de multiples approches complémentaires, avec néanmoins une forte composante instrumentale ou tournée vers la physique de la mesure. Des développements instrumentaux innovants ont été effectués grâce au projet au GSMA (Groupe de Spectrométrie Moléculaire et Atmosphérique, Université de Reims Champagne Ardennes) pour concevoir et réaliser un instrument de mesure du méthane adapté aux contraintes de vol des ballons stratosphériques (travaux coordonnées par Mélanie Ghysels). Une compréhension fine de la physique de vol des ballons a permis de déduire des mesures de variables météorologiques des informations sur la turbulence présente en basse stratosphère (travaux coordonnés par Richard Wilson au LATMOS, Laboratoire Atmosphère, Milieux, Observations Spatiales). Une compréhension fine de la physique de la mesure a également été indispensable pour valider et interpréter les mesures de nouveaux instruments, et notamment le lidar BeCOOL (travaux coordonnés par François Ravetta au LATMOS, impliquant notamment Thomas Lesigne).

Une des forces du projet a été la collaboration étroite entre experts des observations et modélisateurs: plusieurs approches de modélisation ont été impliquées, depuis des modèles idéalisés pour explorer la physique des processus (travaux au Laboratoire de Météorologie Dynamique, dans le cadre de la thèse de Miléna Corcos, encadrée par Albert Hertzog et Riwal Plougonven), jusqu'aux modèles globaux. Les modèles globaux ont inclus des modèles de prévision du temps (travaux effectués à Météo-France, coordonnés par Alexis Doerenbecher) et des modèles de climat (travaux sur les aérosols stratosphériques, coordonnés par Gwenael Berthet au LPC2E, Laboratoire de Physique et Chimie de l'Environnement et de l'Espace).

BOOST3R a permis d'avancer dans l'observation des processus actifs en basse stratosphère tropicale avec l'analyse d'observations originales et inédites. Le Lidar BeCOOL (développé au LATMOS, Paris et Guyancourt) a mesuré sur plusieurs vols les nuages sous le ballon. La proximité des ballons vis-à-vis des fins nuages de glace qui se forment juste au-dessus de la tropopause permet à l'instrument de détecter des nuages très fins, plus fins que ceux détectés par lidar depuis l'espace. Ces nuages jouent un rôle radiatif et pour la composition de l'air entrant en stratosphère: les cristaux de glace qui sédimentent assèchent l'air et réduisent son contenu en vapeur d'eau.

BOOST3R a soutenu avec succès les développements instrumentaux, permettant de déployer rapidement un instrument de mesure pour la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone (Piso-Strat Bi-Gaz, développé au GSMA à Reims). La mesure du méthane avec les contraintes imposées par les vols de longue durée sous ballon stratosphérique a nécessité des développements innovants. Une cellule monobloc a été conçue et fabriquée pour allonger le chemin optique du faisceau laser sans risquer de désalignement dûs aux variations thermiques. Ce développement ouvre la voie à des mesures sans précédent des variations de méthane en basse stratosphère lors des prochaines campagnes.

Les mesures dynamiques des deux premières campagnes Strateole 2 (en 2019-2020 et 2021-2022) ont été analysées dans le cadre de BOOST3R pour quantifier les ondes équatoriales, notamment les ondes de gravité, et pour détecter la turbulence. Les thèses de Miléna Corcos au LMD et de Clara Pitois au LATMOS ont permis des avancées majeures. Les caractéristiques mesurées pour les ondes de gravité et la relation mise en évidence avec la convection profonde sous-jacente servent de référence pour des travaux sur les paramétrisations des ondes de gravité (activités autour de François Lott au LMD notamment). La nature quasi-lagrangienne des observations en font aussi un jeu de données précieux pour analyser l'impact des fluctuations de température sur la microphysique - un modèle idéalisé a été développé pour explorer théoriquement ces interactions nonlinéaires dans le cadre de la thèse de Miléna Corcos.

Les opérations des campagnes de ballons stratosphériques et la prévision météorologique dépendent de la qualité des modèles pour les vents en basse stratosphère. BOOST3R a permis d'évaluer la qualité des vents dans les modèles météorologiques en basse stratsophère tropicale, de quantifier les erreurs sur les prévisions de trajectoires de ballons, d'explorer l'impact des observations de vents effectuées en termes d'assimilation de données et d'amélioration des prévisions. Les mesures de vents ont aussi contribué à la validation des mesures de vent effectuées depuis l'instrument innovant, ADM-Aeolus, qui a fourni des mesures lidar du vent depuis l'espace de 2018 a 2023.

BOOST3R a avancé les développements d'instruments et l'analyse des observations des campagnes ballons en basse stratosphère tropicale, campagnes effectuées dans le projet Strateole 2. Les résultats obtenus dans le cadre du projet ont contribué à l'émergence de nouveaux projets s'appuyant sur ce qui a été initié durant BOOST3R:

- le projet ANR JCJC TURTLES (Turbulent and Radiatively-driven Transport in the tropical tropopause Layer and lower Equatorial Stratosphere, ANR-21-CE01-0016) coordonné par Aurélien Podglajen (LMD) explore les occurrences de la turbulence en basse stratosphère équatoriale, s'appuyant notamment sur la détection de la turbulence à partir des mesures ballons élaborée dans BOOST3R (Wilson et al, 2023).

- Les résultats obtenus dans le cadre de BOOST3R sur les ondes équatoriales et notamment sur les ondes internes de gravité ont constitué le point de départ pour des analyses combinant observations et 'machine learning' afin de cerner la relation entre écoulement de grande échelle et processus sous-maille dans les modèles. Un financement de l'Institut des Mathématiques pour la Planète Terre (IMPT) a été obtenu pour un post-doctorat (Sothea Has, co-encadré par Aurélie Fischer, du Laboratoire Probabilités Statistiques et Modélisation, et Riwal Plougonven, LMD, 2022-2024; Sothea Has a obtenu un poste à l'Université de Phnom Penh, Cambodge, fin 2024). Prenant racine dans cette collaboration mais élargissant nettement le périmètre des approches impliquées et les ambitions scientifiques, le projet SEEDLING (SEEking Data-driven Levers to Improve and re-New Gravity wave parametrizations, ANR dans le cadre du PEPER Maths-Vives), a été préparé à l'automne 2024 et a obtenu un financement pour 5 ans (coordonné par Aurélie Fischer et Riwal Plougonven).

- Le succès des campagnes de ballons stratosphériques, la pertinence des mesures effectuées et les renseignements obtenus sur les prévisions de trajectoires ont été autant d'arguments pour poursuivre le développement de ces plateformes. Au-delà de la troisième campagne Strateole 2, prévue en 2026, le CNES (Centre National d'Etudes Spatiales) a retenu au cours de son exercice de son Séminaire de Prospective Scientifique (SPS 2024) les campagnes de ballons longue durée en basse stratosphère comme un de ses projets prioritaires. Le projet Stratofleet, avec le développement de ballons manœuvrables, permettra un suivi long de la basse stratosphère.

- Les développements instrumentaux pour la mesure de la vapeur d'eau en basse stratosphère et les résultats obtenus sur sa variabilité ont constitué autant de motivations et d'arguments pour préparer le projet DEEP-CONVECT, coordonné par Mélanie Ghysels (Groupe de Spectroscopie Moléculaire et Atmosphérique, Reims).

La région de la haute troposphère et de la basse stratosphère a dans les Tropiques une importance considérable pour trois raisons. D'une part, les modèles opérationnels de prévisions du temps y conservent des biais et des erreurs importants. D'autre part, l'état de cette région dépend d'un grand nombre de processus (nucléation de cristaux de glace et d'aérosols, ondes, turbulence, circulation globale) sur une vaste gamme d'échelles allant du micron à l'échelle planétaire. Enfin, la tropopause tropicale constitue la porte d'entrée vers la stratosphère, imliquant que les processus dans cette région détermine la composition et l'humidité de la stratosphère, donnant à la région de la tropopause tropicale une importance disproportionnée par rapport à son volume.

Les difficultés inhérentes à la modélisation de cette région (multiplicité d'échelles, de processus, absence d'une relation simlificatrice comme la géostrophie) implique que des observations précises, avec un échantillonnage approprié et suffisant, sont nécessaire pour mieux contraindre et guider notre compréhension de cette région.

Le projet BOOST3R s'appuie sur une opportunité formidable pour la recherche sur cette région: trois campagnes de ballons de longue durée vont être menées entre la fin 2018 et 2024. Ces campagnes sont soutenues par le CNES, qui s'est engagé à lancer 45 ballons volant entre 18.5 et 20.5 km. Des instruments sont développés en France et aux Etats-Unis, spécifiquement pour ces campagnes, pour mesurer l'humidité, les aérosols, et détecter les cirrus ainsi que les anomalies de température à fine échelle en-dessous du niveau de vol des ballons, en plus des variables météorologiques traditionnelles (température, pression, vent).

Ces campagnes fourniront des mesures de vent sans précédent dans la haute troposphère et basse stratosphère tropicale. Les mesures basées sur des nouveaux instruments, pour la vapeur d'eau, les aérosols, les cirrus, fourniront un éclairage exceptionnel sur les processus dans cette région. Le but de BOOST3R est de magnifier les résultats de ces campagnes, en soutenant deux sortes de travaux. D'une part, des travaux préparatoires visant à obtenir les meilleures mesures possible, par l'amélioration ou l'optimisation des instruments mais aussi par la coordination avec d'autres mesures complémentaires. Ces études nécessitent des dépenses en équipement pour le développement d'instruments, et en personnel pour les mesures coordonnées. D'autre part, pour tirer pleinement profit de ces observations novatrices, il sera indispensable de les combiner et les confronter à des approches de modélisation. C'est principalement des dépenses en personnel qui permettront de réaliser les syneergies telles que les modèles de climat pourront bénéficier véritablement des retombées de ce projet.

Ce qui est en jeu, c'est de déterminer quels processus contrôlent l'état et l'évolution de cette région, soumise à l'augmentation séculaire des gaz à effet de serre d'une part, et à l'augmentation rapide de la pollution associé depuis quelques années au développement économique de l'Asie du Sud-Est. Les principalles retombées attendues sont de nouveaux instruments, des observations sans précédents des variables clés de la tropopause tropicale et un progrès considérable dans notre compréhension et notre modélisation de ce compartiment crucial du système climatique.