Modélisation de l'irradiance solaire totale et spectrale et applications à la chimie stratosphérique terrestre

Cette thèse présente des reconstructions de l'irradiance totale et spectrale durant les 400 dernières années à l'aide des modèles pour l'irradiance totale et l'irradiance spectrale dans l'ultraviolet développés à l'Université de Montréal. Tous deux sont basés sur la simulation de l'émergence, de la fragmentation et de l'érosion des taches solaires, qui permet d'obtenir une distribution de l'aire des taches sombres et des facules brillantes en fonction du temps. Ces deux composantes sont principalement responsables de la variation de l'irradiance sur l'échelle de temps de la décennie, qui peut être calculée en sommant leur émissivité à celle de la photosphère inactive. La version améliorée du modèle d'irradiance solaire spectrale MOCASSIM inclut une extension de son domaine spectral entre 150 et 400 nm ainsi que de son domaine temporel, débutant originalement en 1874 et couvrant maintenant la période débutant en 1610 jusqu'au présent. Cela permet de reconstruire le spectre ultraviolet durant le minimum de Maunder et de le comparer à celui du minimum de 2009. Les conclusions tirées de cette étude spécifient que l'émissivité dans l'ultraviolet était plus élevée en 2009 que durant le minimum de Maunder, que le niveau de base de la photosphère non magnétisée contribuait pour environ les deux tiers de cette différence et que les structures magnétiques restantes étaient responsables pour le tiers restant. Le modèle d'irradiance totale a vu son domaine temporel étendu sur la même période et une composante représentant le réseau magnétique de façon réaliste y a été ajoutée. Il a été démontré que les observations des 30 dernières années ne sont bien reproduites qu'en incluant la composante du Soleil non magnétisé variable à long terme. Le processus d'optimisation des paramètres libres du modèle a été effectué en minimisant le carré de la somme de l'écart journalier entre les résultats des calculs et les données observées. Les trois composites disponibles, soit celui du PMOD (Physikalisch Meteorologisches Observatorium Davos), d'ACRIM (ACtive Radiometer Irradiance Monitor) et du IRMB (Institut Royal Météorologique de Belgique), ne sont pas en accord entre eux, en particulier au niveau des minima du cycle d'activité, et le modèle permet seulement de reproduire celui du PMOD avec exactitude lorsque la composante variable à long terme est proportionnelle au flux radio à 10.7 cm. Toutefois, en utilisant des polynômes de Lagrange pour représenter la variation du Soleil inactif, l'accord est amélioré pour les trois composites durant les minima, bien que les relations entre le niveau minimal de l'irradiance et la longueur du cycle précédent varient d'un cas à l'autre. Les résultats obtenus avec le modèle d'irradiance spectrale ont été utilisés dans une étude d'intercomparaison de la réponse de la photochimie stratosphérique à différentes représentations du spectre solaire. Les simulations en mode transitoire d'une durée de 10 jours ont été effectuées avec un spectre solaire constant correspondant soit à une période d'activité minimale ou à une période d'activité maximale. Ceci a permis d'évaluer la réponse de la concentration d'ozone à la variabilité solaire au cours d'un cycle et la différence entre deux minima. En plus de ceux de MOCASSIM, les spectres produits par deux modèles ont été utilisés (NRLSSI et MGNM) ainsi que les données de SIM et SOLSTICE/SORCE. La variabilité spectrale de chacun a été extraite et multipliée à un spectre de base représentant le minimum d'activité afin de simuler le spectre au maximum d'activité. Cela a été effectué dans le but d'isoler l'effet de la variabilité seule et d'exclure celui de la valeur absolue du spectre. La variabilité spectrale d'amplitude relativement élevée des observations de SORCE n'a pas provoqué l'inversion de la réponse de l'ozone à hautes altitudes obtenues par d'autres études, ce qui peut être expliqué par la nature même du modèle utilisé ainsi que par sa limite supérieure en altitude. Finalement, la réponse de l'ozone semble être à peu près proportionnelle à la variabilité de l'intégrale du flux pour lambda<241 nm. La comparaison des concentrations d'ozone obtenues avec les spectres originaux au minimum d'activité démontre que leur différence est du même ordre de grandeur que la variabilité entre le minimum et le maximum d'un cycle typique. Le problème du choix de la reconstruction de l'irradiance à utiliser pour les simulations climatiques dans le passé demeure non résolu.

This thesis presents reconstructions of the total and spectral solar irradiance for the last 400 years produced with the improved versions of the models for total and spectral solar irradiance in the ultraviolet developed at Université de Montréal. Both are based on the simulation of sunspot emergence, fragmentation and erosion, which produces a time-evolving area distribution of dark spots and bright faculae. These two components are the main drivers of irradiance decadal variations and this quantity can be calculated by summing their emissivity to that of the quiet photosphere. The improved version of the model for spectral irradiance, MOCASSIM, includes an extension of its spectral domain between 150 and 400 nm and of its temporal domain, with reconstructions now starting in 1610 instead of 1874. This allows to reconstruct the UV spectrum during the Maunder minimum and to compare it to the spectrum during the minimum of 2009. The conclusions of this study state that the Sun was slightly brighter during the recent minimum and that the slowly-varying quiet Sun contribution accounts for about two thirds of this difference, whereas remnant magnetic structure decay products account for the other third. The model for total irradiance was also extended further in the past, with reconstructions now starting in 1610. Also, a realistic network component was added. This was expected to help reproduce the observations spanning the last 30 years, especially the varying level of the irradiance during minimum activity. It was shown that the inclusion of a slowly-varying quiet Sun component was necessary to account for the observations. The free parameters of the model were adjusted by minimizing the sum of the daily squared difference between the model's output and the observations. The three available composites, from the PMOD (Physikalisch Meteorologisches Observatorium Davos), ACRIM (ACtive Radiometer Irradiance Monitor) and IRMB (Institut Royal Météorologique de Belgique) teams, do not agree between them, especially considering the minima of the activity cycle. The only composite reproduced in a satisfactory manner by the model when the variable quiet Sun component is proportionnal to the radio flux at 10.7 cm is the PMOD composite. However, using Lagrange polynomials to represent this component helps improve the agreement at minimum activity for all composites, even though the relation between the irradiance during the minima and the length of the preceding cycle varies from one to another. The results obtained with MOCASSIM were used during an intercomparison study of the photochemical response in the stratosphere to different representations of the solar spectrum. Transient simulations of duration 10-days were performed with a constant solar spectrum corresponding to either a maximum or minimum activity period. This allowed to estimate the response in stratospheric ozone to the solar variability over a cycle or between two minima. The spectra obtained with MOCASSIM were used along with those from two other models, NRLSSI and MGNM, and the SIM and SOLSTICE/SORCE data. The spectral variability from each data set was multiplied to a common baseline spectrum to produce the high activity spectrum in order to isolate the effet of the variability only, and to exclude the effect of the absolute spectral calibration. The high spectral variability of the SORCE data in the UV did not induce a negative response in ozone at high altitude, as obtained by various other studies. This is explained by the nature of the model and by its limited vertical extent. Finally, the ozone response is approximately proportional to the integrated UV flux below 241 nm. The comparison of the ozone concentration at minimum activity obtained with the original spectra shows that the difference is of the same magnitude as the response over a solar cycle. The problem of choosing a solar spectral irradiance reconstruction for climatic simulations in the past remains unsolved.