41La Météorologie - n° 77 - mai 2012

Mét

éoro

logiesp

atiale

Figure 1 - Halo coloré créé par la diffusion de la lumièresolaire à 22° de sa direction principale, par des cris-taux de glace à structure hexagonale. Le soleil setrouve à gauche, masqué par les branches des arbres.(Photo prise par V. Noel à Québec en septembre 2001,sous licence Creative Commons BY-NC 2.0.)

CALIPSO,des cristaux dans le cielVincent Noel(1), Hélène Chepfer(2) et Claudia Stubenrauch(1)

(1) Laboratoire demétéorologie dynamique/IPSL, CNRS, École polytechnique91128 Palaiseau

(2) Laboratoire demétéorologie dynamique/IPSL, UPMC

RésuméCALIOP est le premier lidar à obser-ver la Terre depuis l’espace demanière autonome et opérationnelle.À bord de la plateforme orbitaleCALIPSO, il documente, depuis avril2006, les particules en suspensiondans l’atmosphère : aérosols, goutte-lettes d’eau, cristaux de glace. Danscet article, nous décrivons les apportsscientif iques remarquables deCALIOP concernant les cristauxatmosphériques : structure verticaledes nuages de glace, cartographies,propriétés microphysiques (forme etorientation dans l’espace), lien entrecristaux de glace et vapeur d’eaudans les régions tropicales, cristauxdans la stratosphère polaire...

AbstractCALIPSO : crystals in the sky

CALIOP is the first lidar to monitorthe Earth from space autonomouslyand continuously. Since its laser firstfired in April 2006, it has been docu-menting atmospheric particles: aero-sols, liquid cloud droplets, icecrystals. In this article, we describethe scientific discoveries CALIOPhelped make possible aboutatmospheric crystals: vertical struc-ture of ice clouds, global maps,micro-physical properties (shape andorientation), the link between icecrystals and water vapour in theTropics, and crystals in the polarstratosphere...

Quand l’atmosphère terrestre estfroide et contient assez de vapeurd’eau, des cristaux de glace appa-

raissent, formant des nuages qui pren-nent souvent l’aspect reconnaissable defilaments blancs fibreux et translucides.Ces nuages intéressaient peu les pre-miers météorologistes. Ils occupent lesommet de la troposphère, qui s’étend dusol à environ 12 km d’altitude aux latitu-des moyennes, et sont situés trop hautpour précipiter pluie ou neige : a prioriils ne jouent donc aucun rôle dans lesaffaires humaines – agriculture, com-merce, transports... Ces nuages diffusentla lumière en créant des phénomènesoptiques fort divertissants (figure 1)mais leur connaissance n’apporte aucunavantage évident dans les éternelles lut-tes de pouvoir menées par homo sapiens.Les chercheurs se focalisèrent donc surles autres nuages ayant un impact indé-niable sur la société humaine. Cettesituation commença à évoluer vers lemilieu du XXe siècle quand notre visiondu système climatique et atmosphériqueterrestre progressa vers celle d’une

entité globale, constituée de composan-tes étroitement connectées et inter-dépendantes. La compréhension dechaque composante devint crucialepour celle de l’ensemble. Les nuages deglace, et leur rôle dans divers processusde régulation atmosphérique, furentscrutés par un nombre croissant descientif iques, pour aboutir, à la f indu XXe siècle, à de grands program-mes internationaux (ISCCP, FIRE,SUCCESS, EUCREX/ICE, CEPEX…)(1)combinant observations in situ, satelli-taires, aéroportées, etc. Le début duXXIe siècle a connu le lancement deplusieurs satellites dédiés à leur étude,dont CALIPSO.

CALIOP et CALIPSODepuis sa mise en orbite en mai 2006, lesatellite CALIPSO (Cloud-Aerosol Lidarand Infrared Pathf inder SatelliteObservation) vole en formation au seinde la constellationA-Train qui transportede nombreux instruments dédiés àl’étude de l’atmosphère. Son instrumentprincipal est CALIOP (Cloud-AerosolLidar with Orthogonal Polarization), unlidar à rétrodiffusion (Winker et al.,2009). Comme le radar, le lidar (LightDetection And Ranging) suit le principede la télédétection active : une sourced’énergie émet une impulsion électroma-gnétique dans un milieu qui réfléchit unecertaine quantité d’énergie (c’est la rétro-diffusion). Cette énergie rétrodiffuséeest mesurée par un récepteur proche dela source. En analysant le délai entrel’émission et la réception de l’onde etson intensité, on peut restituer certainespropriétés du milieu diffusant et connaî-tre avec précision sa position et son alti-tude. À la différence du radar, le lidar

(1) ISCCP : International Satellite CloudClimatology Project. FIRE : First ISCCPRegional Experiment. SUCCESS : SUbsonicClouds and Contrails Effects Special Study.EUCREX/ICE : European Cloud and RadiationExperiment/International Cirrus Experiment.CEPEX : Central Equatorial Pacific Experiment.

42 La Météorologie - n° 77 - mai 2012

Figure 2 - Exemple d’observations de nuit CALIOP, le 4 mai 2010, entre 17 h 36 et 18 h 25 UTC. L’axe horizontal correspond au temps, l’axe vertical à l’altitude. En insert, latrajectoire correspondante de CALIPSO. Au cours de cette orbite, CALIPSO se déplace vers l’ouest, du pôle Nord vers le pôle Sud. La surface de l’Antarctique est visible enbas à droite. De nombreux nuages de glace sont visibles au sommet de la troposphère. Les bandes verticales blanches indiquent la présence de nuages opaques n’ayant puêtre traversés par le faisceau lidar. On visualise nettement la descente progressive de la tropopause de 18 km aux tropiques (proche du centre) vers environ 10 km aux lati-tudes polaires (sur les bords). Notez l’absence totale de nuage dans la stratosphère (au-dessus de 18 km).

utilise la lumière : l’onde est émise par unlaser et reçue par un télescope. Le lidarCALIOP émet à deux longueurs d’ondeproches du millième de millimètre :532 nm (lumière verte) et 1,06 µm (pro-che infrarouge). Dans son application laplus directe, la technologie lidar mesurela distance entre l’instrument et une sur-face visée – Smullin et Fiocco l’utili-sèrent en 1962 pour mesurer la distanceTerre-Lune au centimètre près. À l’heureactuelle, cette technique est souvent utili-sée pour réaliser des modèles numériquesde terrain, en embarquant des lidars suravion, ou pour cartographier précisémentcertaines surfaces. Pour l’anecdote, levisuel du clip de « House of Cards »par Radiohead a été produit avec desobservations lidar suivant ce principe(http://code.google.com/creative/radiohead/).

Dans le contexte qui nous occupe, le lidardocumente les propriétés optiques descouches atmosphériques en fonction del’altitude. La lumière du lidar ne pénètrepas les milieux opaques tels les nuagesd’eau liquide, mais convient parfaitementaux milieux semi-transparents : molécu-les, cristaux de glace et aérosols (pous-sières désertiques, suie de feux de forêt,particules volcaniques...). Cette sensibi-lité aux composants optiquement fins etune résolution spatiale élevée (quelquesdizaines de mètres) font du lidar l’ins-trument idéal pour observer les cristauxde glace dans l’atmosphère.

De nombreux sites d’observation autourdu globe sont équipés d’un lidar, parfoisdepuis plusieurs décennies : par exem-ple, le Site instrumental de recherche partélédétection atmosphérique (SIRTA)[Haeffelin et al., 2005] ou le réseauinternational Atmospheric Radiation

Measurement. Lors de l’éruption del’Eyjafjallajökull en avril 2010, certainsde ces lidars ont suivi l’évolution verti-cale du panache volcanique (site del’IPSL(1)), information précieuse pour letrafic aérien. Malheureusement, la répar-tition de ces sites n’est pas homogène. Laplupart sont situés en zones tempérées oùles pays riches financent leur installationet leur fonctionnement. Les régionspolaires et les tropiques, où l’activité nua-geuse est très intense, sont, par comparai-son, sous-documentés. Les océans, quioccupent la majeure partie du globe, nepeuvent accueillir de site d’observation.D’autre part, les spécifications tech-niques des instruments (niveau d’énergieet sensibilité) varient souvent d’un site àl’autre, ce qui complique la comparaisonentre les observations. Il est donc difficiled’obtenir une vision globale des nuagesde glace par les seuls lidars au sol.L’orbite héliosynchrone de CALIPSO,qui lui fait faire le tour de la Terre 14 à15 fois par jour, permet aux observationsCALIOP d’échantillonner l’atmosphèrede façon globale entre ±82° de latitude(en couvrant environ 5 % de la Terre en12 heures).

La mesure principale du lidar est lecoefficient de rétrodiffusion qui décrit lacapacité des particules rencontrées àrétrodiffuser la lumière. L’émissiond’une impulsion laser, ou « tir lidar »,produit un profil de coefficient de rétro-diffusion qui est fonction de l’altitudepour un lidar orienté verticalement (unemesure tous les 30 mètres pourCALIOP). En analysant ce profil (sou-vent moyenné temporellement en fonc-tion de la scène étudiée), on peutlocaliser le haut et le bas d’un nuage oud’une couche d’aérosols, quantifier sonopacité, observer comment son contenu

évolue avec l’altitude, etc. Restituer cespropriétés à partir des mesures lidar, cequ’on appelle le « problème inverse »,est une entreprise complexe qui peutexiger le développement de méthodesavancées d’analyse du signal (voir, parexemple, Klett, 1985). Ces analysesnécessitent souvent des hypothèses for-tes sur la nature du milieu observé. Leslecteurs intéressés pourront découvrirsur le Web (Young et al., 2008) com-ment ces analyses furent mises en œuvrepour CALIPSO en s’appuyant sur desdécennies de développements algorith-miques et d’observations (lidar sol et insitu). En tirant à répétition (environ20 fois par seconde pour CALIOP), onvisualise l’évolution des propriétésatmosphériques dans le temps, pour unlidar fixe, ou le long de la trajectoire dusatellite, pour un lidar spatial commeCALIOP. La figure 2 montre la lumièrerétrodiffusée mesurée par CALIOP, le4 mai 2010, en fonction du temps (axedes abscisses) et de l’altitude (axe desordonnées). L’atmosphère y est forte-ment déformée : 25 km sur la verticale,plus de 20 000 km sur l’horizontale. Lesfausses couleurs indiquent l’intensitélumineuse mesurée, comme décrit par labarre à droite. L’axe horizontal peut êtrelu comme une progression le long de latrajectoire orbitale du satelliteCALIPSO, indiquée sur la carte eninsert. Un profil seul décrit une zoneatmosphérique limitée horizontalement(de l’ordre de la centaine de mètres)mais l’agrégation de nombreuses orbitespermet de créer des cartes à l’échelleglobale.

(1) IPSL : Institut Pierre-Simon Laplace,http://www.ipsl.fr/fr/Actualites/Actualites-scientifiques/Observation-du-nuage-du-volcan-islandais-Eyjafjoell-par-les-chercheurs-de-l-IPSL.

43La Météorologie - n° 77 - mai 2012

Figure 3 - Fréquence d’observation (en pour cent) de tous les nuages de glace (en haut) et des subvisibles seuls (en bas) entre ±60° de latitude, pour les mois de décembre,janvier et février 2006-2009, obtenue par agrégation d’observations CALIOP. Notez les différentes échelles de couleurs. Adapté de Martins et al. (2011).

Couverture globaleen nuages de glaceÉtant translucides, les cirrus sont diffi-ciles à détecter depuis l’espace car lasurface rayonne à travers eux et affecteles mesures. Ceci affecte particuliè-rement les instruments spatiaux detélédétection passive qui, de plus, sontmoins sensibles qu’un lidar. Parailleurs, le sommet des nuages hauts estsouvent diffus (surtout aux tropiques),et son altitude « radiative » restituée partélédétection passive est généralementsituée plusieurs centaines de mètresplus bas que le sommet réel. Les son-deurs IR(1) ont néanmoins pu montrerqu’à l’échelle globale environ 40 % desnuages sont hauts (pression inférieure à440 hPa) et que la moitié d’entre eux ades températures plus froides que 230 K(Guignard et al., 2012). Ces dernierscorrespondent aux nuages de glace.Comme CALIOP n’est pas affecté parles mêmes limitations et qu’il peut, deplus, détecter des nuages très faible-ment opaques, ses détections font mon-ter ce chiffre à 50 % (Stubenrauch et al.,2010). CALIOP procure les premièresmesures spatiales qui peuvent docu-menter, avec une fine résolution, l’alti-tude de nuages translucides. Lespremières cartes à l’échelle globale uti-lisant ces données (Sassen et al., 2008)trouvent de nombreux nuages de glacehaut dans la zone de convergence inter-tropicale (entre ±15° de latitude envi-ron). La couverture en nuages de glace

atteint 60 % au-dessus de l’Amériquelatine, de l’Afrique de l’Ouest, del’Indonésie et du Pacifique ouest, quisont des centres d’activité convectiveintense. Deux types de nuages semblentcoexister :- des nuages très fins, quasi translucidesà l’interface troposphère-stratosphère,qui subissent de fortes variations diur-nes sans lien direct avec l’activitéconvective (Sassen et al., 2009) ;- des nuages provenant de restes d’en-clumes et directement liés à la convec-tion, qui représentent au moins 40 %des nuages de glace dans ces régionsd’intense activité convective (Riihimakiet McFarlane, 2010).

En revanche, les zones subtropicalesentourant la bande équatoriale sont rela-tivement exemptes de nuages de glace.Des études, comme celle de Dupont etal. (2010), se sont attachées à quantifieret à expliquer les différences entre cesobservations et celles vues depuis le sol,et les ont trouvées minimes.

Par ailleurs, des observations in situ oupar occultation solaire ont prouvél’existence de nuages de glace « subvi-sibles », totalement invisibles à l’œil nuet pour la plupart des instruments ; leurcouverture nuageuse était par consé-quent inconnue jusque là. Tirant parti dela forte sensibilité optique de CALIOP,Martins et al. (2011) ont pu détecterdans ses observations la signature denuages de glace subvisibles. La figure 3documente la fréquence d’apparition

des nuages de glace (en haut) et dessubvisibles (en bas) pour les mois dedécembre à février, au cours de deuxans et demi d’observations CALIOP(2006-2009). L’importance des centresconvectifs décrits plus haut y estincontestable. Les nuages subvisiblesont une épaisseur inférieure au kilo-mètre et sont en moyenne 2 à 3 °C plusfroids que les nuages plus opaques.Bien qu’ils soient plus rares, les nuagessubvisibles ont une fraction nuageusequi s’approche de 40 % en zone convec-tive tropicale.

Ces mesures documentent des nuagesqui, jusqu’à présent, n’avaient pas puêtre étudiés en détail par des capteurspassifs et qui nous aideront à préciserl’impact des nuages sur le bilan radiatifterrestre. Les nuages réfléchissent unepartie de la lumière solaire vers l’espace(effet d’albédo) et l’empêchent deréchauffer le sol. D’autre part, ils cap-tent une partie du rayonnement infra-rouge qu’émet la surface, ce qui bloqueson départ vers l’espace (effet de serre)et freine le refroidissement terrestre.Pour la plupart des nuages d’eauliquide, l’effet d’albédo domine : leureffet global s’apparente à un refroidis-sement. Les nuages de glace étant trans-lucides, leur albédo est faible parcomparaison. Souvent hauts dansl’atmosphère, ils captent les émissionsde la basse atmosphère en plus desémissions infrarouge de la surface, ce

(1) Sondeur IR : sondeur infrarouge.

44 La Météorologie - n° 77 - mai 2012

Figure 4 - Fréquence des cristaux orientés dans le planhorizontal dans les nuages de glace, en fonction de latempérature, pour trois bandes de latitude. Adapté deNoel et Chepfer (2010).

qui limite davantage les pertes ther-miques. L’effet de serre est accru et l’al-bédo s’affaiblit. L’impact total d’unnuage de glace dépend en priorité de satempérature (fonction de l’altitude) etde son opacité qui doivent donc êtreestimées avec précision.

Formes etcristaux orientésL’onde émise par le laser du lidar estpolarisée linéairement dans un planf ixe choisi. Comme de nombreuxlidars, CALIOP mesure le changementd’état de polarisation de l’onde aprèsson interaction avec les particulesatmosphériques. Tout changement estquantifié par le rapport de dépolarisa-tion δ, qui va de 0 (aucun changement)à environ 0,8 (changement maximum).Ce rapport nous renseigne sur la formedes particules rencontrées par le fais-ceau laser. Il est souvent utilisé pouridentifier la phase thermodynamiquede couches nuageuses, car les goutte-lettes d’eau liquide quasi sphériques nedépolarisent pas (δ = 0). Un rapport dedépolarisation non nul trahit la pré-sence de particules non sphériques :poussières désertiques, cendres volca-niques et (dans un nuage) cristaux deglace. Sassen et Zhu (2009) furent lespremiers à documenter ce rapport àl’échelle globale dans les nuages à par-tir de deux ans de mesures CALIOP. Ilsconfirmèrent son augmentation avecl’altitude, suggérée par les observationsau sol précédentes, qui décrit la transi-tion des cristaux de formes géomé-triques pures (plaquettes, colonnes),aux basses altitudes, à des formes irré-gulières (agrégats, rosettes) plus haut.Plus inattendu, δ est plus élevé sous lestropiques qu’aux latitudes moyennes,sans doute en raison des températuresplus froides en altitude et de l’impactde la convection. Ces observations ontmontré que la taille des cristaux deglace diminue aux altitudes élevées.Ces changements de forme et de tailleproviennent de variations de tempéra-ture et de concentration en vapeurd’eau et en noyaux de condensation,qui dirigent les mécanismes de forma-tion et de croissance des cristaux. Laforte activité convective proche del’équateur peut également entraîner lafragmentation ou l’assemblage de cris-taux de glace et former des cristauxirréguliers.

Après le lancement de CALIPSO, l’ob-servation à intervalles réguliers de picsde rétrodiffusion très importants, liés à

de fortes baisses du rapport de dépola-risation, a constitué une surprise. Cesphénomènes indiquent la réflexiondirecte (ou « spéculaire ») du faisceaulaser sur une surface plane horizontale,comme un miroir. Dans des nuages deglace, ils trahissent la présence de cris-taux à facettes s’orientant horizontale-ment af in d’offrir le maximum derésistance à l’air durant leur chute.L’orientation des cristaux est malheu-reusement très difficile à détecter : insitu, les turbulences de l’avion ladétruisent ; à distance, les mesures pou-vant décrire un comportement optiqueanisotrope sont rares. Ce phénomène apu être détecté dans des observations àpartir du sol (exemple, Noel et Sassen,2005) ou des observations spatialespassives (Chepfer et al., 1999 ; Bréonet Dubrulle, 2004 ; Noel et Chepfer,2004), mais la représentativité desrésultats était impossible à évaluer. Letraitement des observations CALIOPn’ayant pas prévu de pics de rétro-diffusion par réflexion spéculaire, ilsentraînaient de graves erreurs dansla restitution des propriétés nuageu-ses prioritaires comme l’épaisseuroptique. Suite à deux périodes d’essai,

CALIPSO pivotaautour de sonaxe horizontal le28 novembre 2007,écartant définitive-ment le laser à 3°de la verticale pourlimiter les ré-flexions spéculai-res. Les donnéesmesurées jusque-là,bien qu’« affec-tées » par cesréflexions, restaientbien entendu trèsintéressantes pourl’étude de l’orienta-tion des cristaux.Noel et Chepfer(2010) ont identifiéla signature typiquedes cristaux orien-tés dans environ6 % des nuages.Ces cristaux sonttrès rares dans lesnuages plus froidsque -30 °C, bienque Mioche et al.(2010) aient re-trouvé leur tracevers -60 °C. Enrevanche, ils sont

fréquents entre -10 °C et -20 °C : on lestrouve dans environ 12 % des cas(figure 4) et jusqu’à 50 % dans certainesrégions des hautes latitudes. Ces tempé-ratures sont propices à la formation delarges cristaux planaires, plus suscep-tibles de s’orienter préférentiellement.Des études simultanées concordent surces résultats (Yoshida et al., 2010).

La forme et l’orientation des cristauxinfluent sur la capacité du nuage àréfléchir la lumière et donc sur soneffet d’albédo. Elles jouent égalementsur la vitesse de chute des cristaux, quiconditionne la persistance du nuage, etdoivent être prises en compte poursimuler son cycle de vie.

Nuageset vapeur d’eauLes nuages ont une relation intime avecla vapeur d’eau atmosphérique. Enthéorie, lorsque la concentration envapeur d’eau devient trop élevée pourla pression et la température environ-nantes, elle se condense en gouttelettesd’eau liquide ou se dépose en cristauxde glace – c’est la nucléation homo-gène. En réalité, la présence préalablede particules et d’aérosols est souvent

Tem

péra

ture

(°C)

Fraction de couches nuageusescontenant des cristaux orientés (%)

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

0 2 4 6 8 10 12 14

60°-90° lat30°-60°0°-30°

45La Météorologie - n° 77 - mai 2012

nécessaire pour déclencher le processus– c’est la nucléation hétérogène. Lacroissance de particules nuageuses(cristaux ou gouttelettes, suivant latempérature) absorbe l’excédent localde vapeur d’eau et s’arrête lorsque l’ex-cédent s’est entièrement converti ennuage. Les particules chutent à des alti-tudes plus chaudes, où elles retournentà l’état de vapeur. Les nuages sont doncle symptôme visible de la déshydrata-tion d’air humide.

Des observations in situ sont venuesremettre en question ce tableau (exem-ple, Krämer et al., 2009) en documen-tant l’existence de fortes sursaturationsen glace persistantes (humidité relativesupérieure à 140 % sans nuage).D’autres ont mesuré des sursaturationssimilaires à la périphérie ou à l’inté-rieur de couches nuageuses (jusqu’à160 %) : ici la formation d’un nuagen’a pu absorber la vapeur d’eau excé-dentaire. Dans les deux cas, la forma-tion et la croissance des cristaux deglace sont inhibées pour des raisonsinconnues (Peter et al., 2006). Plusieursmécanismes possibles ont été évoqués :structures cristallines cubiques, pré-sence de HNO3 , de SO2 ou de H2SO4 àla surface des cristaux (Krämer et al.,2006), inclusion d’aérosols organiquesou visqueux (Murray, 2008)... Il estprobable que tous ces mécanismesjouent un rôle mais leurs importancesrelatives sont inconnues.

Ces incertitudes sur la relation entrevapeur d’eau et formation nuageusesont particulièrement problématiquespour les nuages de glace : fréquents enhaut de la troposphère, ils sont souventl’ultime opportunité pour les massesd’air de se déshydrater avant de péné-trer la stratosphère. En utilisant lasynergie entre le sondeur infrarougeAIRS (Atmospheric Infrared Sounder)et les profils de CALIPSO et du radarspatial CloudSat, Stubenrauch et al.(2010) ont montré que ce sont les sys-tèmes convectifs les plus étendus ver-ticalement qui peuvent traverser latropopause (phénomène d’« over-shoot », cf. Corti et al., 2008) et humi-difier la stratosphère en amenant trèshaut des cristaux de glace. Environ50 fois plus sèche que la troposphère,la stratosphère voit son humidité dimi-nuer depuis 1996 après avoir augmentéde près de 1 % par an pendant un demi-siècle (Rosenlof et Reid, 2008). Cesvariations inexpliquées ont de sérieusesimplications climatiques. Des change-ments dans les nuages de glace ou dansles mécanismes obscurs modifiant lacroissance des cristaux sont-ils en jeu ?

Un axe de recherche possible consiste àessayer de relier les nuages de glace vuspar CALIOP aux variations d’humiditéatmosphérique. Le principal problèmede cette approche est la forte variabilitéspatiale à petite échelle de la vapeurd’eau, qui crée des pics de sursaturationlocaux très difficiles à mesurer. Cespics entraînent la formation de nuagestrès fins que CALIOP peut détecter (cf.section. « Couverture globale en nuagesde glace »). La résolution des mesuresde vapeur d’eau par satellite est malheu-reusement bien plus grossière etmasque, par conséquent, les fluctua-tions de petite échelle : les pics locaux ysont invisibles. En attendant la disponi-bilité de champs de vapeur d’eau fine-ment résolus, les instruments spatiauxsont cependant les plus à même dedocumenter la haute troposphère àl’échelle globale. Plusieurs études (parexemple, Lamquin et al., 2008 ; Martinset al., 2011) montrent un lien entrehumidité de haute troposphère et for-mation de nuages, en tirant parti de lasynergie de CALIPSO avec AIRS etMLS (Microwave Limb Sounder). Enprésence de nuages subvisibles, cetteaugmentation est plus faible mais restedétectable. En revanche, aucun change-ment de vapeur d’eau n’est détectable

Figure 5 - Exemple de synergie CALIPSO-AIRS : fré-quence d’occurrence de cirrus détectés par CALIPSOen relation avec la fréquence d’occurrence de sursatu-ration en glace, déterminée à partir de AIRS, dans lacouche atmosphérique de 200 à 250 hPa. Adapté deLamquin et al. (2012).

dans la bassestratosphère.Basé sur desdistributionsmesurées insitu en pré-sence de cir-rus, un éta-lonnage desrest i tut ionsd ’humid i t érelative AIRSen haute tro-posphère apermis decomparer larelation entresursaturationen glace (dé-terminée parAIRS) etoccurrence decirrus sous lestropiques etaux latitudesm o y e n n e s(f igure 5 ;Lamquin etal., 2012).

Des nuagesdans la stratosphèreLes plus saisissantes des premièresmesures CALIOP sont, sans conteste,les nuages stratosphériques polaires (ouPSC) au-dessus de l’Antarctique,durant la nuit polaire de l’hémisphèresud, en juin et juillet 2006. Ces gigan-tesques nuages peuvent s’étendre surplusieurs milliers de kilomètres hori-zontalement et sur plus de 30 km dehaut. Ils se forment dans la stratosphèrepolaire (l’étage supérieur à notre tropo-sphère) qui est assez froide pour per-mettre la formation de cristaux de glacemalgré la très faible humidité environ-nante. Les cristaux de PSC peuvent éga-lement incorporer de l’acide nitrique,créant des cristaux de NAT (Nitric AcidTrihydrate), et de l’acide sulfurique,créant des gouttelettes de STS(Supercooled Ternary Solution). Cesparticules aux différentes signaturesoptiques produisent des observationstrès contrastées qui ont été l’un des pre-miers sujets d’étude de CALIOP (parexemple, Pitts et al., 2007, ou Noel etal., 2008). La figure 6 montre un exem-ple de PSC entre 14 et 28 km d’altitude,haut dans la stratosphère.

Plus surprenant, la surface polaire exerceune forte influence sur les températuresstratosphériques, à plus de 30 km de

200-250 hPa

00 10 20 30 40 50 60

10

20

30

40

50

60

70

Fréquence d'occurence de sursaturation en glace

CALIPSO

AIRS

Fréq

uenc

ed'

occu

renc

ede

cirr

us

tropics

NHmid

NHpol

SHmid

SHpol

46 La Météorologie - n° 77 - mai 2012

Figure 6 - Exemple de nuage stratosphérique polaire, observé au-dessus de l’Antarctique le 24 juillet 2006 vers 2 h UTC. La ligne verte désigne la limite approximative entrestratosphère, en haut, et troposphère, en bas. Un imposant nuage stratosphérique est visible entre 14 et 28 km d’altitude. Plusieurs systèmes de nuages troposphériquessont visibles en bas. Comparez les altitudes atteintes avec celles de la figure 2.

distance. Près du sol, les forts vents polai-res font grimper les masses d’air le longdes reliefs escarpés. Contenant plus devapeur d’eau que l’air en altitude, cesmasses d’air sont plus lourdes et, en arri-vant au sommet, dégringolent de l’autrecôté. D’intenses fluctuations de pressionet de température atmosphériques se pro-pagent alors à des dizaines de kilomètresd’altitude, comme des vagues à la surfacede l’eau après y avoir jeté un caillou. Cephénomène, appelé onde de gravité oro-graphique, peut faire brutalement chuterla température stratosphérique de plus de15 °C, sous le seuil de condensation de laglace. Il est fidèlement reproduit par lesmodèles numériques de la communautéscientifique simulant l’évolution régio-nale des champs thermodynamiques, telsWRF (Weather Research and Fore-casting) ou Méso-NH. Ces modèles ontaidé à montrer que des PSC, vus parCALIOP au-dessus des hautes montagnesde l’Antarctique (comme le mont Jacksonqui culmine à un peu plus de 3 km),étaient engendrés par des ondes degravité. Ces combinaisons modèles-observations ont également confirmél’importance du phénomène de « moun-tain-wave seeding » : les cristaux de glaceengendrés par onde de gravité quittent lazone froide (« sédimentent », en jargonatmosphérique) et fondent, contribuantainsi à la formation accélérée de cristauxde NAT (Noel et al., 2009). Les PSC frei-nant la réparation du « trou » dans la cou-che d’ozone polaire, il est important debien comprendre les mécanismes parfoiscomplexes dirigeant leur évolution.

ConclusionCALIOP émet vingt impulsions laserchaque seconde, depuis maintenant plusde cinq ans. Les trois milliards de profils

mesurés ont été atteints le 2 juin 2011. Lesecond laser de CALIOP, activé en mars2009, a remplacé la source principaleaprès environ trois ans de bons et loyauxservices. La mission CALIPSO semblebien partie pour au moins doubler sadurée nominale prévue de trois ans. Les50 téraoctets d’observations accumuléesdepuis sa mise en orbite et les nombreu-ses analyses qui en ont été tirées par unelarge communauté scientifique consti-tuent un trésor d’informations pourl’exploration des phénomènes atmo-sphériques. Le saut qualitatif obtenu parla capacité à documenter avec précisionla variabilité verticale des nuages et desaérosols, et non plus « simplement » leurvariabilité horizontale, a permis, pour lapremière fois, de visualiser globalementle fonctionnement de notre atmosphèredans la troisième dimension, avec unerésolution inférieure à la centaine demètres. De nombreuses découvertes ensont issues. Elles concernent évidemmentles nuages de glace mais aussi ceux deplus basse altitude (Chepfer et al. 2010),les aérosols (Vuolo et al. 2009), les érup-tions volcaniques, etc.

Bien entendu, personne n’avait attenduCALIPSO pour documenter les nuagesde glace. Mais les climatologies lidarlocales établies jusque-là laissaient dansl’obscurité la grande majorité du globe(océans, régions polaires et tropiques).Nous manquions d’informations préci-ses sur ces nuages, leur structure verti-cale, leurs propriétés, leur occurrencespatiotemporelle... CALIPSO a combléles immenses lacunes de nos cartes,créant un pont entre des climatologieslocales éclatées et documentant, d’unseul coup, les propriétés des nuages deglace sur tout le globe de manièrehomogène. En parallèle à ces réponses,les observations de CALIPSO ont posé

de nouvelles questions, attirant notam-ment l’attention sur notre capacité limi-tée à observer l’interaction entre nuagesde glace et vapeur d’eau dans la hautetroposphère.

Depuis l’orbite tracée par la constella-tion de satellites A-Train, CALIOP etde nombreux instruments observent leciel. Ils seront bientôt rejoints pard’autres tels le lidar spatial d’ADM-AEOLUS (fin 2013) ou le radar et lelidar à haute résolution spectrale de lamission Earth-Care (2015). Ces instru-ments de précision procurent des infor-mations essentielles pour étudier etcomprendre le fonctionnement globalde l’atmosphère de notre planète, etpour en prendre soin, aujourd’hui etdans l’avenir.

RemerciementsLa plupart des recherches présentéesont bénéficié de soutiens du Centrenational de la recherche scientifique(CNRS), du Centre national d’étudesspatiales (Cnes) et de l’Agence natio-nale de la recherche (ANR), des centresde calcul de l’IPSL, ClimServ etCICLAD(1), du centre de gestion et detraitement de données ICARE(2) et duAtmospheric Sciences Data Center dela NASA (National Aeronautics andSpace Administration). Nous remer-cions également l’équipe CALIPSO duNASA Langley Research Center, ainsique les chercheuses et chercheurs quiont participé au travail présenté.

(1) CICLAD : Calcul intensif pour le climat,l’atmosphère et la dynamique.(2) ICARE : Interactions Clouds AerosolsRadiations Etc.

47La Météorologie - n° 77 - mai 2012

Bréon F.-M. et B. Dubrulle, 2004 : Horizontally Oriented Plates in Clouds. J. Atmos. Sci., 61, 2888-2898.

Chepfer H., G. Brogniez, P. Goloub, F.-M. Bréon et P. Flamant, 1999 : Observations of horizontally oriented ice crystals in cirrus clouds with POLDER-1/ADEOS-1.J. Quant. Spec. Rad. Trans., 63, 521-543.

Chepfer H., S. Bony, D. Winker, G. Cesana, J.-L. Dufresne, P. Minnis, C. Stubenrauch et C. Zeng, 2010 : The GCM-Oriented CALIPSO Cloud Product (CALIPSO-GOCCP). J. Geophys. Res., 115, D00H16.

Corti T., B. P. Luo, M. de Reus, D. Brunner, F. Cairo, M. J. Mahoney, G. Martucci, R. Matthey, V. Mitev, F. H. dos Santos, C. Schiller, G. Shur, N. M. Sitnikov,N. Spelten, H. J. Vössing, S. Borrmann et T. Peter, 2008 : Unprecedented evidence for deep convection hydrating the tropical stratosphere. Geophys. Res. Lett., 35,L10810, doi:10.1029/2008GL033641.

Dupont J.-C., M. Haeffelin, Y. Morille, V. Noël, P. Keckhut, D. Winker, J. M. Comstock, P. Chervet et A. Robin, 2010 : Macrophysical and optical properties ofmidlatitude cirrus clouds from 4 ground-based lidars and collocated CALIOP observations. J. Geophys. Res., 115, D00H24.

Guignard A., C. J. Stubenrauch, A. J. Baran et R. Armante, 2012 : Bulk microphysical properties of semi-transparent cirrus from AIRS: a six year global climatologyand statistical analysis in synergy with geometrical profiling data from CloudSat-CALIPSO. Atmos. Chem. Phys., 12, 503-525.

Haeffelin M., L. Barthès, O. Block, C. Boitel, S. Bony, D. Bouniol, H. Chepfer, M. Chiriaco, J. Cuesta, J. Delanoë, P. Dobrinski, J.-L. Dufresne, C. Flamant,M. Grall, A. Hodzic, F. Hourdin, F. Lapouge, Y. Lemaître, A. Mathieu, Y. Morille, C. Naud, V. Noël, W. O’Hirok, J. Pelon, C. Pietras, A. Protat, B. Romand,G. Scialom et R. Vautard, 2005 : SIRTA, a ground-based atmospheric observatory for cloud and aerosol research. Ann. Geophys., 23, 253-275.

Klett J. D., 1985 : Lidar inversion with variable backscatter/extinction ratios. Appl. Opt., 24, 1638-1643.

Krämer M., C. Schiller, H. Ziereis, J. Ovarlez et H. Bunz, 2006 : Nitric acid partitioning in cirrus clouds: the role of aerosol particles and relative humidity. Tellus, 58,141-147.

Krämer M., C. Schiller, A. Afchine, R. Bauer, I. Gensch, A. Mangold, S. Schlicht, M. Spelten, N. Sitnikov, S. Borrmann, M. de Reus et P. Spichtinger, 2009 : Icesupersaturations and cirrus cloud crystal numbers. Atmos. Chem. Phys., 9, 3505-3522.

Lamquin N., C. Stubenrauch et J. Pelon, 2008 : Upper tropospheric humidity and cirrus geometrical and optical thickness: Relationship inferred from 1 year of colloca-ted AIRS and CALIPSO data. J. Geophys. Res., 113, D00A08.

Lamquin N., C. J. Stubenrauch, K. Gierens, U. Burkhardt et H. Smit, 2012 : A global climatology of upper-tropospheric ice supersaturation occurrence inferred fromthe Atmospheric Infrared Sounder after calibration with MOZAIC. Atmos. Chem. Phys., 12, 381-405.

Martins E., V. Noel et H. Chepfer, 2011 : Properties of cirrus and subvisible cirrus from nighttime Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization (CALIOP), related toatmospheric dynamics and water vapor. J. Geophys. Res., 116, D02208.

Mioche G., D. Josset, J.-F. Gayet, J. Pelon, A. Garnier, A. Minikin et A. Schwazenboeck, 2010 : Validation of the CALIPSO-CALIOP extinction coefficients from insitu observations in midlatitude cirrus clouds during the CIRCLE-2 experiment. J. Geophys. Res., 115, D00H25.

Murray B. J., 2008 : Inhibition of ice crystallisation in highly viscous aqueous organic acid droplets. Atmos. Chem. Phys., 8, 5423-5433.

Noel V. et H. Chepfer, 2004 : Study of ice crystal orientation in cirrus clouds based on satellite polarized radiance measurements. J. Atmos. Sci., 61, 2073–2081.

Noel V. et K. Sassen, 2005 : Study of Planar Ice Crystal Orientations in Ice Clouds from Scanning Polarization Lidar Observations. J. Appl. Meteor., 44, 653-664.

Noel V., A. Hertzog, H. Chepfer et D. Winker, 2008: Polar Stratospheric Clouds over Antarctica from the CALIPSO Spaceborne Lidar. J. Geophys. Res., 113, D02205.

Noel V., A. Hertzog et H. Chepfer, 2009 : CALIPSO observations of wave-induced PSCs with near-unity optical depth over Antarctica in 2006-2007. J. Geophys. Res.,114, D05202.

Noel V. et H. Chepfer, 2010 : A global view of horizontally oriented crystals in ice clouds from Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation (CALIPSO).J. Geophys. Res., 115, D00H23.

Peter T., C. Marcolli, P. Spichtinger, T. Corti, M. B. Baker et T. Koop, 2006 : When dry air is too humid. Science, 314, 1399-1402.

Pitts M. C., L. W. Thomason, L. R. Poole et D. M. Winker, 2007 : Characterization of Polar Stratospheric Clouds with spaceborne lidar: CALIPSO and the 2006Antarctic season. Atmos. Chem. Phys., 7, 5207-5228.

Riihimaki L. D. et S. A. McFarlane, 2010 : Frequency and morphology of tropical tropopause layer cirrus from CALIPSO observations: Are isolated cirrus different fromthose connected to deep convection? J. Geophys. Res., 115, D18201.

Rosenlof K. H. et G. C. Reid, 2008 : Trends in the temperature and water vapor content of the tropical lower stratosphere: Sea surface connection. J. Geophys. Res., 113,D06107.

Sassen K., Z. Wang et D. Liu, 2008 : Global distribution of cirrus clouds from CloudSat/Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations (CALIPSO) mea-surements. J. Geophys. Res., 113, D00A12.

Sassen K., Z. Wang et D. Liu, 2009 : Cirrus clouds and deep convection in the tropics: Insights from CALIPSO and CloudSat. J. Geophys. Res., 114, D00H06.

Sassen K. et J. Zhu, 2009 : A global survey of CALIPSO linear depolarization ratios in ice clouds: Initial findings. J. Geophys. Res., 114, D00H07.

Smullin L.D. et G. Fiocco, 1962 : Optical echoes from the Moon. Nature, 194, 1267.

Stubenrauch C. J., S. Cros, A. Guignard et N. Lamquin, 2010 : A 6-year global cloud climatology from the Atmospheric InfraRed Sounder AIRS and a statistical analy-sis in synergy with CALIPSO and CloudSat. Atmos. Chem. Phys., 10, 7197-7214.

Vuolo M. R., H. Chepfer, L. Menut et G. Cesana, 2009 : Comparison of mineral dust layers vertical structures modeled with CHIMERE-DUST and observed with theCALIOP lidar. J. Geophys. Res., 114, D09214.

Winker D., M. A. Vaughan, A. Omar, Y. Hu et K. A. Powell, 2009 : Overview of the CALIPSO mission and CALIOP data processing algorithms. J. Atmos. Ocean. Tech.,26, 2310-2323.

Yoshida R., H. Okamoto, Y. Hagihara et H. Ishimoto, 2010 : Global analysis of cloud phase and ice crystal orientation from Cloud-Aerosol Lidar and Infrared PathfinderSatellite Observation (CALIPSO) data using attenuated backscattering and depolarization ratio. J. Geophys. Res., 115, D00H32.

Young S. A., D. M Winker, M. A. Vaughan, Y. Hu et R. E. Kuehn, 2008 : CALIOP Algorithm Theoretical Basis Document - Part 4: Extinction Retrieval Algorithms.Document No: PC-SCI-202, disponible à http://www-calipso.larc.nasa.gov/resources/project_documentation.php.