Tourbillons de fumées s'élevant dans la stratosphère – ASTuS

Le projet repose sur une approche diagnostique, théorique et expérimentale.

Le diagnostic repose sur les données recueillies par les instruments satellitaires ainsi que sur des campagnes dédiées avec de petits instruments sous ballon. Il existe un grand nombre d’instruments permettant la surveillance des panaches stratosphériques et nous avons la capacité de combiner leurs capacités complémentaires pour fournir un diagnostic le plus complet possible depuis l’espace. Un instrument très utile a été le lidar CALIOP sur la mission CALIPSO. CALIOP est en passe d’être remplacé par le lidar de la mission Earth-Care lancée le 28 mai 2024 dont les performances attendues sont supérieures. D’autres instruments particulièrement utiles sont ceux qui mesurent au limbe comme MLS, SAGE-III, ACE-FTS ou OMPS-LP. Nous sommes aussi capables de traiter les données IASI pour en tirer conjointement une mesure des colonnes de SO2 et de sulfates. Cependant, tout ne peut être mesuré depuis les satellites et des mesures in situ sont indispensables. En raison des contraintes logistiques, seuls des vols d’instruments légers sous petit ballon peuvent être organisés avec un temps de réponse rapide en mesurant la distribution de taille et les propriétés d’absorption/diffusion. Ce concept a été appliqué à l’éruption du Hunga avec des mesures faires depuis la Réunion une dizaine de jours après l’éruption qui ont conduit à la première publication internationale sur la caractérisation du panache.
Les données satellites utilisables pour notre analyse détaillée existent depuis 2004 et permettent donc de remonter dans le passé récent pour investiguer les évènements importants.
La compréhension de l’évolution des panaches, de la dynamique des tourbillons anticycloniques, et de l’impact climatique est menée en combinant la théorie simplifiée avec des simulations détaillées et réalistes. Des études en laboratoire en cuve tournante sont également menées. L’intérêt envers des tourbillons chauffés s’était limité jusqu’alors aux cyclones tropicaux et le cas de tourbillons chauffés (ou refroidis) se déplaçant verticalement n’avait pas été considéré. Il s’agit donc d’un sujet nouveau en dynamique des fluides. Ces tourbillons présentent des défis importants pour comprendre leur structure, leur stabilité, leur évolution à long terme et les conditions de leur apparition. Les observations dynamiques disponibles reposent actuellement sur les analyses météorologiques qui parviennent à suivre remarquablement le nuage d’aérosol vu par les satellites mais peuvent présenter des biais importants car elles n’utilisent aucune information sur ces aérosols. L’information provient exclusivement de la signature thermique du tourbillon, sous forme de dipôle vertical de température qui est enregistrée par les satellites et utilisée dans l’analyse. Les conditions de cette détection, ses limites et les biais engendrés sont un élément important pour analyser les données disponibles.

En raison de la coïncidence entre le démarrage du projet et l’éruption du Hunga en janvier 2022, les capacités observationnelles ont été réorientées vers ce cas exceptionnel durant la première phase du projet. Nous avons ainsi été les premiers à mettre en évidence les effets de la très grande quantité d’eau dans le panache qui après avoir causé la disparition des cendres dans les premières heures, entraînées avec la glace précipitante, a causé une rapide conversion du SO2 en sulfates, et une descente rapide du panache de 3 à 4 km en une semaine due au refroidissement par l’émission de la vapeur d’eau. Nous avons ensuite décrit la suite de la conversion grâce à IASI mesurant simultanément SO2 et sulfates et montré le confinement dans plusieurs structures anticycloniques induites par la descente. Nous avons aussi été les premiers à fournir une évaluation de l’effet radiatif du panache, montrant que dans les premières semaines il a exercé, à cause de l’effet de l’eau, un effet positif contrairement au refroidissement qui est la norme pour les éruptions volcaniques. Nous avons aussi montré la séparation des aérosols et de l’eau dans les mois qui ont suivi et estimé la taille des aérosols à partir des mesures de l’extinction par SAGE III. La aussi le Hunga est exceptionnel, la taille des aérosols ayant dès le premier mois atteint 0,4µm en rayon effectif et restant stable dans le temps.
L’étude des tourbillons cycloniques théorique et dans un cadre axisymétrique simplifié avec le modèle non hydrostatique WRF a révélé des caractères au départ inattendus. La dépendance du chauffage à la concentration en aérosols fait que les régions les plus denses montent les plus vite. Il se forme ainsi un front au sommet du nuage limité seulement par la diffusion particulaire, suivi d’une longue queue derrière. L’impact dynamique est de créer une autre zone frontale pour la vorticité potentielle qui tombe rapidement à zéro au sommet, ce qui en principe conduit à l’instabilité mais pas ici. A l’intérieur de cette zone, la stratification est réduite et la vorticité absolue est quasiment nulle. En compensation, une vorticité cyclonique est induite dans la queue. En régime stationnaire, cela contribue à déplacer le tourbillon vers le haut et à laisser derrière une traîne cyclonique.
Une étude de la composition chimique du tourbillon principal causé par les feux australiens de 2020 indique que peu d’air extérieur pénètre dans le panache qui maintient une déplétion d’ozone importante par rapport à l’équilibre photochimique standard due à des réactions de destruction favorisées par les aérosols organiques.

Dans la deuxième partie du projet, la nature des vortex anticycloniques sera investiguée plus en détail pour comprendre leur évolution dans un environnement perturbé par un cisaillement, leur stabilité et les conditions de leur formation. Ceci sera fait encore avec WRF mais aussi avec un modèle WACAM capable de prendre en compte l’environnement réaliste.
Les expérimentations en laboratoires qui sont complexes à mettre au point et ont donné des résultats préliminaires dans la première phase permettront d’explorer un large domaine de paramètres liées à la rotation et au chauffage.
En fonction des évènements nouveaux pouvant apparaître pendant l’été 2024, les analyses diagnostiques se focaliseront sur ces évènements ou investigueront les évènements passés. En particulier, nous essaieront d’exploiter les données CALIOP en relation avec les mesures au limbe pour obtenir des mesures d’extinction.

Kloss et al : Aerosol Characterization of the Stratospheric Plume From the Volcanic Eruption at Hunga Tonga 15 January 2022, Geophysical Research Letters, 49, e2022GL099394, doi.org/10.1029/2022GL099394, 2022.

Sellitto et al.: Radiative impacts of the Australian bushfires 2019–2020 – Part 1: Large-scale radiative forcing, Atmos. Chem. Phys., 22, 9299–9311, doi.org/10.5194/acp-22-9299-2022, 2022.

Sellitto et al.:The unexpected radiative impact of the Hunga Tonga eruption of 15th January 2022, Commun Earth Environ, 3, 288, doi.org/10.1038/s43247-022-00618-z, 2022.

Legras et al.: The evolution and dynamics of the Hunga Tonga–Hunga Ha’apai sulfate aerosol plume in the stratosphere, Atmos. Chem. Phys., 22, 14957–14970, doi.org/10.5194/acp-22-14957-2022, 2022.

Khaykin et al.: Global perturbation of stratospheric water and aerosol burden by Hunga eruption, Commun Earth Environ, 3, 316, doi.org/10.1038/s43247-022-00652-x, 2022.

Sellitto et al.: Volcanic Emissions, Plume Dispersion, and Downwind Radiative Impacts Following Mount Etna Series of Eruptions of February 21–26, 2021, Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 128, e2021JD035974, doi.org/10.1029/2021JD035974, 2023.

Sellitto et al.: Radiative impacts of the Australian bushfires 2019–2020 – Part 2: Large-scale and in-vortex radiative heating, Atmos. Chem. Phys., 23, 15523–15535, doi.org/10.5194/acp-23-15523-2023, 2023.

Duchamp et al.: Observation of the Aerosol Plume From the 2022 Hunga Tonga—Hunga Ha’apai Eruption With SAGE III/ISS, Geophysical Research Letters, 50, e2023GL105076, doi.org/10.1029/2023GL105076, 2023.

Randel et al: Stratospheric Water Vapor from the Hunga Tonga–Hunga Ha’apai Volcanic Eruption Deduced from COSMIC-2 Radio Occultation, Remote Sensing, 15, 2167, doi.org/10.3390/rs15082167, 2023.

Dumelié et al.: Toward Rapid Balloon Experiments for sudden Aerosol injection in the Stratosphere (REAS) by volcanic eruptions and wildfires, Bulletin of the American Meteorological Society, 2023, doi.org/10.1175/BAMS-D-22-0086.1.

Podglajen et al.: Dynamics of diabatically forced anticyclonic plumes in the stratosphere, doi.org/10.1002/qj.4658, 2024.

Le paroxysme des grands feux de forêts engendre une pyro-convection qui dépose dans la stratosphère une quantité de fumée comparable à l'impact d'une éruption volcanique moyenne. Le coordinateur et ses collaborateurs ont découvert en 2020 que ces fumées s'auto-organisent en tourbillons anticycloniques qui montent sous l'effet du chauffage dû à l’absorption du rayonnement solaire par les aérosols carbonés. Ces persistent plusieurs mois, s'élevant de 10 à 20 km dans la stratosphère. La conséquence est un impact des fumées sur plusieurs années, avec un impact climatique bien plus long qu'estimé jusqu'ici, et qui augmentera dans le futur. Les tourbillons transportent aussi un mini trou d'ozone, pouvant circuler au-dessus des continents en plein été, accroissant les UV au sol. Un second article publié en 2021 a établi que des tourbillons de fumée ont aussi été créés après les feux de 2017 en Colombie Britannique et ils sont probablement présent dans beaucoup d’événements du même type. Bien que les aérosols volcaniques soient, en principe, bien moins absorbants que les aérosols de feux, il y a des indications de structures compactes ascendantes après plusieurs éruptions récentes.

Le projet rassemble une équipe d'experts en dynamique des fluides, télédétection de l'atmosphère et modélisation pour documenter et comprendre ce phénomène atmosphérique totalement nouveau, sa distribution et son impact. Le projet est divisé est trois parties. La première est orientée vers l’observation et est dévolue à explorer les données archivées du passé. La seconde est orientée vers la mécanique des fluides et les propriétés radiatives. La troisième est orienté vers la modélisation réaliste et l’étude des impacts.

Dans la première partie, nous étudions les cas du passé à partir des données archives en distinguant le passé récent, après 2006, pour lequel les données du lidar spatial CALIOP sont disponibles pour une localisation et une caractérisation précise des aérosols, et les périodes plus anciennes où moins de données satellite sont disponibles et où plus de modélisation est requise. Nous étudions dans cette partie comment les propriétés des aérosols sont reliées au chauffage observé et comment le trou d’ozone observé impacte le rayonnement UV au sol. Nous mettons aussi en place une réponse adaptée en termes d’observations ciblées et modélisation pour les futurs événements.

La deuxième partie est dévolue à la compréhension des tourbillons stables chauffés à l’intérieur d’un fluide tournant stratifié qui n’ont jamais été décrits dans la littérature. Les conditions réalistes qui sont à la marge de l’instabilité inertielle sont très non linéaires et présentent un défi pour les méthodes théoriques et numériques disponibles. Nous utiliserons une hiérarchie de modèles et représentations théoriques partant du contexte bien maîtrisé à faible nombre de Rossby pour nous approcher des cas réalistes. Nous réaliserons des expériences numériques avec un modèle non-hydrostatique adapté à la stratosphère. Une composante importante de cette seconde partie sera une expérience de laboratoire dans une cuve tournante dont nous attendons de fournir un démonstrateur expérimental et un modèle flexible pour tester la théorie.

La troisième partie sera dévolue à reproduire les événements observés en commençant par calculer de manière détaillé l’effet radiatif des aérosols. Cette information sera utilisée dans un modèle de chimie climat complet qui sera testé prioritairement sur les cas de 2020 et 2017, et sera utilisé pour évaluer dans le temps l’impact des événements en termes de bilan radiatif et de composition atmosphérique.