Étude de la dynamique du vortex antarctique et des mécanismes de transport associés, en basse stratosphère, à l'aide des ballons surpressurisés de la campagne Vorcore

A study of Antarctic polar vortex dynamics and associated transport phenomenons in low stratosphere by using the Vorcore campaign's pressurized balloons.

• Auteur / Autrice : Jérôme Clech
• Direction : François Vial
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Palaiseau, Ecole polytechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l’Ecole Polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 2000-2015)
• Jury : Président / Présidente : Claude Basdevant
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Didier Renaut
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hennie Kelder, Alain Hauchecorne, Albert Hertzog

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ozone

Changements climatiques

Équations aux dérivées partielles

Systèmes dynamiques

Stratosphère

Résumé

En français : La destruction de l’ozone dans le vortex antarctique par les composés chlorés joue un rôle dans le changement climatique, aux côtés des gaz à effet de serre. Or, la dynamique atmosphérique affecte la destruction de l’ozone dans cette région selon un processus complexe. La campagne Vorcore (2005) peut permettre l’étude de la dynamique du vortex et des phénomènes de transport associés. C’est ce que cette thèse se propose de faire. Dans un premier temps, la thèse identifie à l’aide de spectre d'exposant de Lyapunoc d'échelle finie (FSLE), notamment, les régimes de transport dans le vortex antarctique en basse stratosphère, en fonction de l’échelle spatiale : advection chaotique pour la petite échelle, superdiffusion pour la méso-échelle, diffusion classique pour la grande échelle. Dans un second temps, elle propose de les approfondir pour en établir les différentes caractéristiques. Ainsi, elle montre l’existence d’une structure de grande échelle qui gouverne le chaos d’abord, elle représente cette structure dans le cadre de la dynamique hamiltonienne ensuite pour en déduire des propriétés du vortex en termes de barrières dynamiques et de frontières cinématiques. Elle précise enfin la nature de la superdiffusion et le rôle joué par les différents types d’ondes atmosphériques (ondes de gravité et planétaires) à l’aide de spectres de puissance. En particulier, les ondes de gravité interviennent dans la superdiffusion en basse stratosphère antarctique, ce que le modèle du Centre Européen de Prévisions Météorologiques à Moyen-Terme sous estime sensiblement. Dans un troisième temps, elle se concentre sur l’advection chaotique non conservative (hors cadre hamiltonien) pour quantifier l’impact de l’activité ondulatoire sur l’érosion du vortex - car celle-ci est à l’origine d’échange entre les hautes et basses latitudes : après avoir modélisé le vortex sous la forme d’un système dynamique autonome, un calcul de dimension « Pointwise » est réalisé pour caractériser l’attracteur du système et mettre en évidence la sensibilité du calcul à l’activité diabatique.

En anglais : The destruction of ozone in the Antarctic vortex by chlorine compounds plays a role in climate change, alongside greenhouse gases. However, atmospheric dynamics affects the destruction of ozone in this region through a complex process. The Vorcore campaign (2005) can enable the study of vortex dynamics and associated transport phenomena. This is what this thesis sets out to do. Firstly, the thesis identifies, using finite scale Lyapunov exponent spectrum (FSLE), in particular, the transport regimes in the Antarctic vortex in the lower stratosphere, as a function of the spatial scale: advection chaotic for the small scale, superdiffusion for the meso-scale, classical diffusion for the large scale. Secondly, it proposes to explore them in greater depth to establish their different characteristics. Thus, it shows the existence of a large-scale structure which governs chaos first, it represents this structure in the framework of Hamiltonian dynamics then to deduce properties of the vortex in terms of dynamic barriers and kinematic boundaries. Finally, it specifies the nature of superdiffusion and the role played by the different types of atmospheric waves (gravity and planetary waves) using power spectra. In particular, gravity waves are involved in superdiffusion in the lower Antarctic stratosphere, which the European Center for Medium-Term Weather Forecasts model significantly underestimates. Thirdly, it focuses on non-conservative chaotic advection (outside the Hamiltonian framework) to quantify the impact of wave activity on the erosion of the vortex - because this erosion is at the origin of exchange between high and low latitudes: after modeling the vortex in the form of an autonomous dynamic system, a “Pointwise” dimension calculation is carried out to characterize the system's attractor and highlight the sensitivity of the calculation to diabatic activity.