The stratosphere is the region of a planetary atmosphere where the temperature increases with altitude. In this respect, the stratosphere differs from the troposphere --- where we are living ---where the temperature does decrease with altitude. The rise in temperature is due to the solar flux absorption by an atmospheric constituent : ozone for the Earth, methane for the Giant Planets, and Saturn in particular.

The vertical temperature variations of opposite direction in the troposphere and stratosphere induce sharply different atmospheric circulations in these two atmospheric regions. In the troposphere, convection dominates and drives the Hadley circulation where warm air is lifted at the equator and descends over polar regions. In the stratosphere, convective movements are forbidden. Indeed, as it is lifted up, an air parcel cools down, while the environment warms up. The parcel hence becomes colder than its neighbourhood and sinks back. This reflex movement triggers temperature and pressure waves that propagate vertically. With radiative transfer, these waves dominate energy and heat transport in the stratosphere.

A team led by Paris Observatory researchers just found new evidence for this. Using the Composite InfraRed Spectrometer (CIRS) aboard the Cassini mission orbiting Saturn since 2004, they obtained a map of Saturn s stratospheric temperature as a function of altitude (or pressure) and latitude. At the equator, the temperature does not increase regularly with altitude, but rather shows vertical oscillations. In addition, at a given pressure level, a warm temperature at the equator corresponds to a cool temperature at tropical latitudes (20°S and 20°N). From this temperature gradient, it is possible to calculate the direction and the magnitude of winds. The map shows the presence two equatorial westward and eastward jets stack one above the other.

Figure 1 : Température mesurée par Cassini/CIRS dans la stratosphère de Saturne en fonction de la latitude et de la pression (les latitudes négatives correspondent à l’hémisphère sud, les latitudes positives à l’hémisphère nord). Aux latitudes moyennes, la température croît avec l’altitude, donc lorsque la pression décroît. Au contraire, à l’équateur, la température oscille verticalement. De plus, à 1 hPa, la température chaude à l’équateur correspond à une température froide vers 20°N et 20°S, et vice-versa à 0.1 hPa et 10 hPa. Cliquer sur l’image pour l’agrandir

Such a structure also exists in the equatorial stratosphere of the Earth, as well as in Jupiter. It is driven by the interaction of the zonal mean wind with atmospheric waves. Atmospheric waves transport either westward or eastward angular momentum depending on their nature, and transfer it to the equatorial jets when they are damped. In addition, the vertical wind structure is pulled downward. Hence, at a given altitude, the wind alternates quasi-periodically between westward and eastward. On Earth, the period is about 26 months, leading to the name of quasi-biennial oscillation. On Jupiter, the period is about 4 years (quasi-quadriennial oscillation). In parallel to the CIRS/Cassini observations, US astronomers, after a 20-year long ground-based observation campaign, established that the oscillation period for Saturn is about 15 years.

Hence, Saturn s stratosphere behaves like its terrestrial and jovian siblings. The comparison between the three planets will help us to understand how atmospheric waves triggers this kind of oscillation on Earth and elsewhere in the Solar System.

Figure 2 : A partir de la carte de température ci-contre, il est possible de déduire le sens et la vitesse des vents dans la stratosphère de Saturne. L’oscillation de température à l’équateur permet de montrer qu’il existe plusieurs jets intenses superposés verticalement. Seules les ondes atmosphériques peuvent générer une telle structure. Cliquer sur l’image pour l’agrandir

Reference Fouchet, T., Guerlet, S., Strobel, D.F., Simon-Miller, A.A., Bézard, B., Flasar, F.M., 2008 An equatorial oscillation in Saturn’s middle atmosphere. Nature, sous presse. doi:10.1038/nature06912

For the observations, see also : Orton et al. 2008, Semi-Annual Oscillations in Saturn s Low-Latitude Stratospheric Temperatures, Nature, same number.

Contact

Thierry Fouchet (Observatoire de Paris, LESIA, et CNRS)

Dernière modification le 4 mars 2013

La stratosphère d’une planète est la région de son atmosphère où la température croît avec l’altitude. La stratosphère diffère en cela de la troposphère --- dans laquelle nous vivons --- où la température décroît avec l’altitude. L’accroissement de la température avec l’altitude est dû à l’absorption du flux solaire par un constituant atmosphérique : l’ozone sur la Terre, le méthane sur les planètes géantes, en particulier sur Saturne.

Les variations verticales de température de sens opposé entre la troposphère et la stratosphère induisent des circulations atmosphériques très différentes dans ces deux régions. Dans la troposphère, la convection domine, et sous-tend la circulation de Hadley où l’air chaud monte depuis l’équateur pour redescendre dans les régions polaires. Dans la stratosphère, les mouvements convectifs sont interdits. En effet, en montant une particule d’air se refroidit, tandis que la température de l’atmosphère environnante se réchauffe. La particule devient donc plus froide que son voisinage et redescend. Ce mouvement de rappel génère des ondes de pression ou de température, qui se propagent verticalement. Avec le transport d’énergie sous forme radiative, ces ondes atmosphériques dominent le transfert d’énergie dans la stratosphère.

Une équipe menée par des chercheurs de l’Observatoire de Paris vient d’en apporter une nouvelle preuve. En utilisant le spectromètre infrarouge thermique (CIRS) à bord de la sonde Cassini en orbite autour de Saturne depuis 2004, ils ont établi une carte de la température stratosphérique de Saturne en fonction de l’altitude (ou de la pression) et de la latitude. A l’équateur, la température ne croît pas régulièrement avec l’altitude, mais présente des oscillations verticales. De plus, à un niveau de pression donné, une température élevée à l’équateur est associée à des températures basses dans les zones tropicales (20°S et 20°N). A partir de ce gradient de température, il est possible de calculer la vitesse et la direction des vents. La carte montre qu’il existe deux jets équatoriaux superposés, l’un tournant dans le sens est-ouest, l’autre dans le sens ouest-est.

Figure 1 : Température mesurée par Cassini/CIRS dans la stratosphère de Saturne en fonction de la latitude et de la pression (les latitudes négatives correspondent à l’hémisphère sud, les latitudes positives à l’hémisphère nord). Aux latitudes moyennes, la température croît avec l’altitude, donc lorsque la pression décroît. Au contraire, à l’équateur, la température oscille verticalement. De plus, à 1 hPa, la température chaude à l’équateur correspond à une température froide vers 20°N et 20°S, et vice-versa à 0.1 hPa et 10 hPa. Cliquer sur l’image pour l’agrandir

Une telle structure existe également dans la stratosphère équatoriale terrestre, ainsi que sur Jupiter. Elle est due à l’interaction des ondes avec le vent local. Les ondes atmosphériques transportent un moment angulaire positif ou négatif suivant leur type et le transfèrent aux jets équatoriaux lorsqu’elles sont amorties. De plus la structure verticale des vents est continuellement tirée vers le bas. Ainsi à une altitude donnée, le vent alterne quasi-périodiquement entre un vent d’est et un vent d’ouest. Sur Terre, la période est de 26 mois, d’où le nom d’oscillation quasi-biennale sur Terre. Sur Jupiter, la période est de 4 ans (oscillation quasi-quadriennale). Parallèlement aux observations CIRS/Cassini, des astronomes américains ont établis, grâce à une très longue campagne d’observation au sol, que la période de l’oscillation pour Saturne est de 15 ans.

Ainsi, la stratosphère de Saturne se comporte comme ses soeurs terrestre ou jovienne. La comparaison entre ces trois planètes permettra de mieux comprendre comment les ondes atmosphériques engendrent ce phénomène d’oscillation sur Terre et ailleurs dans le système solaire.

Figure 2 : A partir de la carte de température ci-contre, il est possible de déduire le sens et la vitesse des vents dans la stratosphère de Saturne. L’oscillation de température à l’équateur permet de montrer qu’il existe plusieurs jets intenses superposés verticalement. Seules les ondes atmosphériques peuvent générer une telle structure. Cliquer sur l’image pour l’agrandir

Référence Fouchet, T., Guerlet, S., Strobel, D.F., Simon-Miller, A.A., Bézard, B., Flasar, F.M., 2008 An equatorial oscillation in Saturn’s middle atmosphere. Nature, sous presse. doi:10.1038/nature06912

Pour les observations, voir aussi : Orton et al. 2008, Semi-Annual Oscillations in Saturn s Low-Latitude Stratospheric Temperatures, Nature, même numéro.

Contact

Thierry Fouchet (Observatoire de Paris, LESIA, et CNRS)

Dernière modification le 22 février 2013