M. Leroux : Evolution des nuages stratosphériques polaires en lien avec le changement climatique

Les nuages stratosphériques polaires (PSCs) jouent un rôle primordial dans l’amincissement saisonnier de la couche d’ozone, en renforçant d’abord la destruction de l’ozone par l’activation de réservoirs stables de chlore et de brome en radicaux réactifs, et ensuite en prolongeant la destruction de l’ozone par l’élimination du HNO3 et du H2O de la stratosphère par sédimentation. L’objectif principal de cette thèse est d’examiner l’évolution des PSC dans le contexte du changement climatique en cours, afin de mieux comprendre leur rôle dans l’appauvrissement de la couche d’ozone et sa récupération potentielle au cours du siècle. Cette thèse s’est concentrée sur deux axes : documenter les changements dans la durée de la saison PSC au cours des dernières décennies (1980-2021) et examiner les changements projetés de la saison PSC au cours du 21e siècle (2015-2100) selon différents scénarios climatiques.

Pour répondre à ces problématiques, nous avons analysé le produit PSC satellite dérivé des mesures lidar spatiales. Ce produit fournit la distribution spatiale, la composition et les propriétés optiques des PSCs de 2006 à 2020 avec une haute résolution spatiale et temporelle. Nous fournissons d’abord une climatologie des PSC au-dessus de l’Antarctique en utilisant ce produit PSC, afin d’analyser la distribution spatiale et temporelle des PSC. Nos résultats révèlent une forte corrélation entre la formation des PSC et les températures stratosphériques. Nous avons donc exploré plus en profondeur ce lien PSC-température en développant un modèle statistique qui estime la densité quotidienne de PSC à partir de carte de température à différents niveaux de pression entre 10 et 150 hPa, basé sur des relations mensuelles PSC-température. Ce modèle prédit avec précision les densités de PSC et les durées de saison, montrant une corrélation robuste avec les observations. Nous avons ensuite appliqué ce modèle aux températures de réanalyse griddées (60–90° S), ce qui nous a permis d’examiner l’évolution des saisons de PSC de 1980 à 2021 sur l’ensemble de la région antarctique. Nos résultats révèlent un allongement significatif de la saison des PSC entre 1980 et 2000, à tous les niveaux de pression sauf à 10–20 hPa, suivi de l’absence de changements significatifs de 2000 à 2021. L’allongement de la durée de la saison PSC entre 1980 et 2000 est cohérent avec les tendances de température des réanalyses et fiable même en tenant compte des biais. Sur l’ensemble de la période 1980–2021, entre 30 et 100 hPa, la saison PSC s’allonge significativement de 17 jours en moyenne. Nous étudions les changements projetés dans la durée de la saison PSC entre 2015 et 2100 en appliquant une version révisée du modèle PSC aux projections de température futures de trois modèles climatiques sous trois scénarios socio-économiques.

Nos résultats indiquent une extension significative de la saison des PSC dans les scénarios à fortes émissions, principalement due à des dates de début plus précoces et cohérente avec le refroidissement stratosphérique dû à l’augmentation des concentrations en CO2 dans la troposphère. En revanche, dans le scénario à faibles émissions, la saison des PSC se raccourcit en raison du réchauffement stratosphérique causé par la récupération de la couche d’ozone, avec des dates de fin prévues plus précoces.