« La porte d’entrée vers la stratosphère est le siège de phénomènes atmosphériques déterminants pour le climat planétaire. » C’est ainsi qu’Albert Hertzog, directeur adjoint du Laboratoire de Météorologie Dynamique (LMD-CNRS) décrit la tropopause équatoriale, la zone atmosphérique équatoriale située entre la troposphère et la stratosphère, explorée par la mission ballon Strateole-2. Une région stratégique que seuls les ballons pressurisés stratosphériques (BPS) peuvent étudier de l’intérieur. À cette fin, 22 de ces aérostats développés par le CNES vont être lâchés durant la 3e campagne de vol Strateole-2, prévue d’octobre 2026 à avril 2027.

L’équateur est en effet un haut lieu d’échanges dynamiques et chimiques entre la basse atmosphère, appelée troposphère, et la haute atmosphère, la stratosphère. Les interactions complexes qui s’y produisent, à des échelles allant du micromètre au millier de kilomètres, influencent l’ensemble du globe. C’est pourquoi l’observation des mécanismes en jeu intéresse les climatologues.

Les ballons Strateole-2 emportent au total une dizaine d’instruments développés par autant de laboratoires français et internationaux. Ils recueilleront des données sur les mouvements des masses d’air, influencés par différents types d’ondes, ainsi que sur les particules de poussières, gaz, vapeur d’eau, etc.

L’oscillation quasi-biennale, un élément clé du climat

Les observations se concentrent en particulier sur l’oscillation quasi biennale (OQB), un phénomène récurrent d'inversion de la composante est/ouest des vents dans la stratosphère équatoriale, qui affecte l’ensemble du globe. L’OQB est une circulation à grande échelle provoquée par les ondes produites par les cumulonimbus naturellement présents dans la troposphère tropicale. Ces nuages dits convectifs (nés des transports d’air chaud qui s’élève et se condense à la rencontre d’air d’altitude plus froid) génèrent des mouvements ondulatoires qui se propagent verticalement jusque dans la stratosphère. 

« Disposer de données précises sur ces ondes aidera à comprendre le moteur de cette circulation qui représente un défi pour les modèles climatiques », expose Albert Hertzog. « Nous ne savons pas prédire de quelle façon le changement climatique affectera l’OQB et cette inconnue entrave les prévisions climatiques futures. » Car l’influence de cette oscillation est majeure. Par exemple, elle contrôle en partie la stabilité des tourbillons polaires dont dépend la destruction de la couche d’ozone ou agit sur l’occurrence des cyclones dans les régions tropicales. 

La vapeur d’eau, un gaz à effet de serre sous haute surveillance

Cette troisème campagne Strateole-2 observera également les transports de constituants chimiques, en particulier ceux des gaz à effet de serre (GES), dont la vapeur d’eau, l’un des principaux GES. Il s’agit de comprendre de quelle façon l’air très humide provenant de la troposphère équatoriale (l’une des régions les plus humides de l’atmosphère) s’assèche durant son ascension vers la stratosphère (l’une des régions les plus sèches). 

Strateole-2 effectuera enfin des mesures inédites de l’électricité atmosphérique ou encore des ondes acoustiques de très basses fréquences, dont la détection dans la stratosphère pourrait aider à observer les séismes. 

Les mesures effectuées lors de la campagne Strateole-2 sont transmises en direct aux météorologues pour étudier la façon de les intégrer aux modèles prévisionnels. À l'issue de chaque campagne, toutes les données seront mises librement à disposition de l’ensemble de la communauté scientifique mondiale via internet.

Les ballons, observatoires au cœur du vent et des nuages

Les ballons Strateole-2 voleront en continu pendant plus de trois mois. Portés par la seule force du vent, ils feront deux fois le tour de la Terre à une altitude stable de 18 et 20 km. Ces caractéristiques uniques font l’originalité et la force de la mission. 

La dérive passive communique des informations sur la direction et la force du vent. « On ne contrôle pas le mouvement du ballon », rappelle Adrien Deschamps, expert thématique météo au CNES, « celui-ci nous fournit donc des indications extrêmement détaillées sur les transports dans l’atmosphère, les fluctuations des masses d’air lorsqu’elles se déplacent ». 

Leurs mesures sont directes et précises, car réalisées au cœur de la tropopause. Elles complètent les observations des satellites, régulièrement gênées par les nuages, et suppléent aux instruments terrestres difficiles à installer dans cette zone majoritairement couverte par l’océan. 

Enfin, les ballons recueillent des données en continu sur une longue période, là où les satellites d’observation ne passeraient qu’une fois tous les 7 à 10 jours (la plupart sont en orbite héliosynchrone, une trajectoire passant par les pôles et sur laquelle le satellite revient toujours au même endroit à la même heure). 

Pilotage millimétré

Pour Strateole-2, l’un des enjeux consiste à maintenir les ballons opérationnels dans une zone soumise à d’importantes variations des conditions de vol, en particulier à de fortes radiations solaires. La maîtrise technique du CNES a permis de développer des ballons suffisamment robustes et un pilotage adapté. 

« Strateole-2 emploie des ballons pressurisés stratosphériques fermés qui doivent être maintenus en surpression pour rester sphériques tout au long du vol », précise Stéphanie Venel, cheffe de campagne Strateole-2 au CNES. « Or, au fil du temps, les UV dégradent leur enveloppe. Elle s’affine et jaunit, ce qui a pour effet d’augmenter la température du gaz contenu à l’intérieur et donc de créer une surpression plus importante. » Depuis la base d’Aire-sur-Adour et le Centre Spatial de Toulouse, les équipes du CNES spécialisées en ballon contrôlent et adaptent en permanence la quantité de gaz et la masse totale de l’aérostat. « Un pilotage ultra-fin, très spécifique à la région équatoriale », appuie la responsable mission.