ECOLE DOCTORALE DES SCIENCES DE L’ENVIRONNEMENT

D'ILE DE France N° 129

Proposition de sujet de thèse pour la rentrée 2021

Nom du Laboratoire d’accueil : Laboratoire de Météorologie Dynamique N° UMR : 8539

Nom du Directeur du laboratoire : Philippe Drobinski

Adresse complète du laboratoire :

LMD, Ecole Polytechnique, route de Palaiseau, 91128 PALAISEAU Cedex

Nom de l’Equipe d’accueil et adresse si différente de celle du laboratoire :

Dynamique et Physique de l’Atmophère et des Océans (DPAO)

Laboratoire de Météorologie Dynamique (LMD)

Ecole Normale Supérieure – Paris Sciences Lettres University (ENS-PSL)

24 rue Lhomond

75005 PARIS 05

Nom du Directeur de thèse HDR : Bernard Legras (DR CNRS)

Téléphone : 01 44 32 22 28

Mail : bernard.legras@lmd.ens.fr

Nom du co-encadrant non HDR : Aurélien Podgjajen (CR CNRS)

Téléphone :

Mail : aurelien.podglajen@lmd.ens.fr

• Titre de la thèse en Français : TOURBILLONS ASCENDANTS DANS LA

STRATOSPHERE APRES LES GRANDS FEUX DE FORETS ET CERTAINES

ERUPTIONS VOLCANIQUES.

OBSERVATIONS, PROCESSUS ET IMPACT

• Titre de la thèse en Anglais : ASCENDING VORTICES IN THE STRATOSPHERE

FOLLOWING WILDFIRES AND SOME VOLCANIC ERUPTIONS.

OBSERVATIONS, PROCESSUS AND IMPACT

Ces images montrent à gauche une boule d’aérosols issus des feux australiens de 2020 vue par le lidar

spatial CALIOP au large de l’Amérique du Sud selon la trace figurant dans les deux vues de droite.

Les autres vues sont des sections verticales ou horizontales des champs de vorticité potentielle,

température et ozone analysés par le modèle du Centre Européen de Prévision à Moyen Terme.

Ce tourbillon ici représenté le 31 janvier 2020, 25 jours après sa formation près de l’Australie a

été suivi jusqu’au début d’avril 2021 où il a atteint 35 km d’altitude après avoir parcouru 66000 km.

Cet événement exceptionnel marque la découverte d’une nouvelle famille de structures dans

l’atmosphère, jamais décrites jusqu’ici.

Résumé:

Les grands feux de forêts comme ceux de l’Australie au tournant de 2020 ou au Canada en 2017 engendrent à leur paroxysme une pyro-convection capable de traverser la tropopause et de déverser dans la basse stratosphère (15 km) une grande quantité de produits de combustion. On sait depuis quelques années que l’absorption du rayonnement solaire incident par ces nuages de cendres leur procure un chauffage créant une force ascensionnelle. On a découvert en 2020 que ce processus pouvait prendre la forme spectaculaire de tourbillons anticycloniques de méso-échelle capables de se maintenir plusieurs mois dans la stratosphère, de faire plusieurs fois le tour du globe et de monter jusqu’à 35 km d’altitude. En induisant une persistance de plusieurs années des fumées dans la stratosphère, l’impact climatique en est multiplié. Les tourbillons sont également associés à des trous d’ozone localisés qui, se déplaçant aux latitudes moyennes en été, ont des effets notables sur le rayonnement ultraviolet atteignant la surface en zones habitées.

Nos travaux indiquent que le phénomène accompagne presque tous les grands feux et qu’il pourrait se manifester après certaines éruptions volcaniques, mais notre compréhension est encore embryonnaire et beaucoup reste à découvrir.

Le but de la thèse sera d’aborder ce phénomène nouveau selon trois axes, observations, processus et impact.

Observations : Il s’agit de documenter les cas du passé en exploitant les données archivées, principalement spatiales. On utilisera les observations d’aérosols et d’ozone ainsi que les profils de température issus des sondeurs et des profil GPS. La forte signature en ozone permet d’espérer remonter peut-être trois décennies en arrière. Cela permettra d’identifier de nouveaux tourbillons, d’étudier leur naissance et leurs modulations dans l’écoulement ainsi que de caractériser leur dissipation, en particulier la traîne de filaments libérée dans leur sillage . Des calculs de trajectoires lagrangiens permettront de recoller entre eux les morceaux du puzzle.

Processus : A l’aide d’outils de modélisation numérique, on simulera les tourbillons dans des situations idéalisées et réalistes afin de comprendre leur mise en place et leur maintien. Un objectif important sera de caractériser leur signature dans les variables observables (telles que la température ou l’ozone) et les limites de leur domaine d’existence et de celui de leur détection avec les technologies disponibles. Cela permettra de mieux comprendre la distribution et l’importance réelle du phénomène et des conditions requises pour sa simulation [il a jusqu’à présent échappé à toutes les études sur les panaches de feux, soit par inaptitude des simulations, soit par absence de diagnostics].

Impact : On examinera l’impact de ces structures sur le bilan radiatif et sur le rayonnement UV à partir des observations et de simulations menées à méso-échelle sur les échelles de temps de vie des tourbillons et avec un modèle de chimie-climat (collaboration avec le LPC2E à Orléans) pour l’impact de plus longue durée après dilution. La question des stratégies de géo-ingéniérie sera également visitée au vu des nouvelles possibilités crées par cette découverte.

Il y aura des va-et-vient entre ces trois axes de recherche. Par exemple les données d’observation serviront à alimenter la modélisation et celle-ci aidera à prévoir les conditions à rechercher dans les observations.

Des collaborations extérieures en France et à l’étranger seront impliquées.

Références :Khaykin, Legras, Bucci, Sellitto, Isaksen, Bekki, Bourassa, Rieger, Zwada, Jumelet & Godin-Beekmann, 2020, The 2019/20 Australian wildfires generated a persistent smoke-charged vortex rising up to 35 km altitude, Communications Earth & Environment, 1, p.22, http://www.nature.com/articles/s43247-020-00022-5

Lestrelin Legras, Podglajen & Salihoglu, 2020, Smoke-charged vortices in the stratosphere generated by wildfires and their behaviour in both hemispheres : comparing Australia 2020 to Canada 2017, en révision pour Atmos. Chem. Phys., https://acp.copernicus.org/preprints/acp-2020-1201/

• Summary :

Large wildfires, such as the ones which took place in Australia at the turn of 2020 and in British Columbia in 2017, generate paroxysmal pyro-convection able to cross the tropopause and to inject large amounts of combustion products in the mid-latitude lower stratosphere (15 km). It has been known for a few years that the absorption of solar radiation by these smoke clouds provides an internal heating and positive buoyancy, resulting in the self-lifting of the plume. We have discovered in 2020 that this phenomenon can take the spectacular shape of meso-scale anticyclonic vortices, which may survive several months in the stratosphere circulate several times around the globe and rise up to 35 km against the planetary-scale subsidence prevailing at midlatitudes. By transporting and distributing the smoke at high altitudes where it persists for several years, the vortices increase the climatic impacts of wildfires considerably . They are also associated with local ozone holes which, by travelling at mid-latitudes in summer, have a significant impact on the flux of ultraviolet radiations reaching the surface in inhabited areas. Our previous works suggest that this phenomenon accompanies most large wildfires and it could occur after some volcanic eruptions as well. However, our understanding is still rudimentary and a lot remains to be explained and discovered.

The goal of the PhD will be to tackle this new phenomenon along three axes of research: observations, processes and impact.

Observations: The goal is to document previous occurrences by exploiting the archived data, mainly from satellite instruments. We will use aerosol and ozone observations as well as the temperature profiles from infrared sounders and GPS radio-occultation measurements. Thanks to the strong signature of the vortices in ozone, which has a long observational record, we hope to go up to 3 decades back into the past. This will lead to the finding of new vortices, and enable us to study their generation, their modulation within the background flow and their decay, in particular through filaments left in their trail. Lagrangian trajectories will be used to help solving the puzzle.

Processes : Numerical simulations will be used to reproduce the vortices in both idealized and realistic frameworks in order to understand their generation and maintenance. An important goal will be to characterize their signature in observable variables (such as temperature and ozone) and the limits of the existence domain and the domain of detection with available observations. We will thus assess the distribution and the real importance of the phenomenon and the conditions required for its simulation [it has not yet been reported in any numerical study of wildfires, either because the simulations were not apt at generating it, or due to a lack of dedicated diagnostics].

Impact : The impact of the smoke vortices on the radiative budget of the atmosphere and on the ultraviolet radiations at the surface will be investigated using the observations and meso-scale simulations over the lifetime of the vortices and a climate-chemistry model (collaboration with LPC2E Orléans) for their long-term impact after dilution of the plume. The study will also revisit the question of the new perspective on geoengineering strategies opened by this discovery.

The three axes of research are strongly linked. For instance, the observational findings will be used to guide the modelling and the modelling will be used to determine the best observables.

External collaborations in France and outside will be involved.

• Type de financement autre que ED 129, précisez si envisageable ou acquis

(CNES, CEA, ADEME etc…) :

financement partiel envisageable sur projet ANR soumis,

un projet de co-financement sera soumis par ailleurs au CNES,

• Encadrement : Aucun doctorant encadré au 1^Er janvier 2020