La limite entre la troposphère et la stratosphère s'appelle latropopause. Son altitude étant liée à la température de la colonne d'air, elle est minimale dans les régions polaires (entre 6 et 9 km) et maximale dans la zone intertropicale (entre 15 et 19 km). L'altitude moyenne sur l'ensemble du globe est estimée à 12 km[1].
La limite entre la stratosphère et la mésosphère est lastratopause, qui se situe en moyenne vers 50 kilomètres d'altitude.
La température dans la stratosphère varie naturellement en fonction de l'altitude (et selon un cycle saisonnier et jour/nuit), car celle-ci est réchauffée par l'absorption des rayonsultraviolets provenant duSoleil : à l'intérieur de cette colonne d'air, la température augmente au fur et à mesure qu'on s'y élève en altitude (voir l'articlecouche d'inversion).
Cette stratification verticale fait que la stratosphère est dynamiquement stable : hormis localement après la pénétration de l'atmosphère par une chute de météore ou le passage d'une fusée, il n'y a aucuneconvection régulière ni de turbulences associées à cette partie de l'atmosphère.
Le bas de la stratosphère est caractérisé par un équilibre relatif entre la chaleur transmise de la couche d'ozone parconduction et la chaleur transmise de latroposphère (parconvection).
Ceci implique que la stratosphère commence à plus basse altitude près despôles, car latempérature y est toujours moins élevée. L'accès à la stratosphère par desballons-sondes est donc plus facile, sûr et rapide aux pôles, mais elle a dans ces régions des caractéristiques spécifiques.
Diminution contemporaine de la température de la stratosphère
Un constat, issu des mesures infrarouges faites par certains satellites, est que la stratosphère tend depuis quelques décennies à se refroidir. Ce phénomènes a deux explications connues :
L'intensification de l'effet de serre due à l'augmentation de la concentration de CO2 dans l'air (voirréchauffement climatique) induit un refroidissement dans les couches plus élevées de l'atmosphère[2]. En effet, le rayonnement infrarouge émis par la surface est piégé par les gaz à effet de serre dans les basses couches de l'atmosphère,ce qui conduit à un réchauffement à basse altitude et à un refroidissement des hautes couches qui reçoivent moins de rayonnement;
La stratosphère est une région où surviennent d'intenses processus radiatifs, dynamiques et chimiques. Le mélange horizontal des composants gazeux s'y produit bien plus rapidement que dans l'axe vertical de l'atmosphère. Les particules sont rapidement transportées dans le plan horizontal par des vents appelésjet stream. La stratosphère est cependant caractérisée par un système de vents très différents de ceux de la troposphère. De plus, dans les hivers de l'hémisphère nord, en zone boréale des réchauffements stratosphériques soudains se produisent parfois, causés par l'absorption desondes de Rossby dans la stratosphère.
Oscillation régulière : uneoscillation quasi-biennale (OQB) a été découverte par lesgéophysiciens en1961 (à partir des observations faites depuis1953 par des ballons-sondes stratosphériques). Cette oscillation périodique régulière concerne les latitudes tropicales uniquement. Elle est décrite par des vents d'Est qui sont remplacés par des vents d'Ouest et inversement, avec une très grande régularité. Elle est supposée être induite par lesondes de gravité générées de manière convective dans la troposphère. C'est une des principales caractéristiques de la circulation desmasses d'air et de vapeur d'eau dans la stratosphère. Elle est à l'origine d'unecirculation secondaire qui est déterminante pour le transport stratosphérique global de l'ozone (dont le taux à l'équateur varie d'environ 10 % entre les pics des deux phases est-ouest) et de lavapeur d'eau. L'OQB contribue au mélange des couches supérieures de la stratosphère, et influe aussi sur le taux dedéplétion de la couche d'ozone au-dessus des zones polaires.
Un cycle dure vingt-huit mois environ (en deux demi-cycles de quatorze mois) et commence avec des vents d'Ouest forts et réguliers qui cernent l'équateur, mais après un peu plus d'un an (quatorze mois environ), ces vents d'Ouest faiblissent et concernent une altitude plus basse. Ils sont ensuite remplacés par des vents d'Est qui descendent des couches supérieures de la stratosphère tout en prenant plus de force, et14 mois plus tard, ces vents d'Est faiblissent à leur tour pour (et c'est le début d'un nouveau cycle) être à nouveau remplacés par des vents d'Ouest de plus en plus puissants, etc.
Anomalie de 2015-2016 : ce cycle très régulier a été observé durant soixante ans sans changements. Mais fin-2015 laNASA a pour la première fois observé une anomalie d'environ six mois et à grande échelle (toute la zone tropicale de l'hémisphère nord) : en fin de demi-cycle, les vents d'Ouest au lieu de s'affaiblir en descendant pour faire place à une nouvelle couronne de vents d'Est, ont remonté en altitude en empêchant des vents d'Est de se former comme d'habitude, et des vents d'Est jamais observés sont apparus plus bas (zone de40hPa) dans la stratosphère. Cette anomalie a duré environ6 mois[11]. En, la situation semblait être revenue à la normale. La NASA étudie cette anomalie pour en trouver les causes (El Niño qui a été particulièrement fort en 2016 et/ou le dérèglement climatique pourraient être en cause, mais ceci est à confirmer)[11].
La principale cause de l'amincissement de la couche d'ozone reportée est la présence dechlorofluorocarbones (aussi connus sous lesigle CFC —CCl2F2, CCl3F) dans la stratosphère de la Terre. Les chlorofluorocarbones sont composés de chlore, de fluor et de carbone. Parce que les CFC sont stables, économiques, non toxiques, non inflammables et non corrosifs, ils sont utilisés comme propergols, réfrigérants, solvants, etc. Toutefois, c'est cette stabilité qui cause l'omniprésence des CFC dans l'environnement. Ces molécules finissent par atteindre la stratosphère, où ils subissent une série de réactions en chaîne qui mène en bout de ligne à la destruction de lacouche d'ozone.
Le gouvernement américain a banni, en 1980, l'utilisation des CFC sous forme d'aérosol. Les efforts mondiaux pour réduire l'utilisation des CFC ont commencé en1987, et un bannissement international a suivi en1996 pour prévenir les effets de la production industrielle des CFC. Ces efforts ont été dramatiquement décevants à cause des marchés noirs enChine et en Russie, où la valeur des CFC illégalement manufacturés grimpait à500 millions de dollars américains. Les quantités de CFC dans la stratosphère ont continué d'augmenter jusqu'au début de l'an2000 et on estime qu'elles atteindront un niveau acceptable vers le milieu du présent siècle.
Les avions commerciaux volent typiquement à une altitude proche de dix kilomètres dans des latitudes tempérées, au ras de la stratosphère. Ceci permet d'éviter lesturbulences de la convection présente dans latroposphère. Les « turbulences » rencontrées en cours de vol sont souvent causées par desascendances thermiques en dessous denuages convectifs ou à l'intérieur de ceux-ci ; on notera toutefois que les plus groscumulonimbus peuvent atteindre la partie inférieure de la stratosphère. On mentionne aussi souvent la présence deturbulences en air clair en haute altitude voire dans la stratosphère. Ces « turbulences » peuvent correspondre à desondes orographiques engendrées à l'aval de montagnes par vent fort ; elles peuvent se propager jusque dans la stratosphère au-delà de latropopause. Ainsi, desplaneurs ont été capables d'atteindre la stratosphère parvol d'onde.
De 1958 à 1960, en raison de l'altitude croissante des avions de chasse, laUnited States Air Force a mené leprojet Excelsior visant à expérimenter les sauts en haute altitude, et notamment le parachute Beaupre multi-stage. À cette occasion,Joseph Kittinger, pilote de l'USAF, s'est élancé en chute libre depuis une nacelle située en pleine stratosphère, le. Il est monté jusqu'à une hauteur de 31 333 m, brisant ainsi le record de 30 942 m établi par David Simons lors duprojet Man-High en 1957. La chute entière a duré13 min 45 s. Lors de la descente, Kittinger a atteint une vitesse maximale de988 km/h. Il a traversé des couches d'air (vers 10 km d'altitude) dont la température atteignait−70 °C.
↑a etbPhilippe Keckhut, Alain Hauchecorne, Chantal Claud, Beatriz M. Funatsu & Guillaume Angot (2013)Refroidissement de la stratosphère : Détection réussie mais quantification encore incertaine,. La Météorologie, Météo et Climat, p. 31-37.〈hal-00863423〉(résumé)
↑Randel, W.J., et F.Wu, 1999: Cooling of the Arctic and Antarctic polar stratosphere due to ozone depletion. J. Climate, 12, 1467-1479.
↑Harris N & coauthors (2015)Past changes in the vertical distribution of ozone –Part 3 :Analysis and interpretation of trends, Atmos. Chem. Phys., 15, 9965-9982 |Doi:10.5194/acp-15-9965-2015, 2015
↑Kobayashi, Shinya; Matricardi, Marco ; Dee, D ; Uppala, Sreeja ;Use of the SSU and AMSU-A observations in reanalyses 2019/01/11 (résumé)
↑Free, M., et J.Lanzante, 2009: Effect of Volcanic Eruptions on the Vertical Temperature Profile in Radiosonde Data and Climate Models. J. Climate, 22, 2925–2939. doi:https://dx.doi.org/10.1175/2008JCLI2562.1
↑Lee, H. et A. K. Smith, 2003, Simulation of the combined effects of solar cycle, QBO, and volcanic forcing on the stratospheric ozone changes in recent decades, J. Geophys. Res., 108, 4049 |doi:10.1029/2001JD001503.
↑Chiodo, G., N. Calvo, D. R. Marsh, et R. Garcia-Herrera (2012),The 11 year solar cycle signal in transient simulations from the Whole Atmosphere Community Climate Model, J. Geophys. Res., D06109, doi:10.1029/2011JD016393
↑Seidel, D.J., and Coauthors, 2016 :Stratospheric temperature changes during the satellite era. J.634Geophys. Res., doi:10.1002/2015JD024039 ; voir p. 18, ligne 394
