Équipe IAR

Depuis que les hommes s’intéressent aux aérosols, ces particules d’origine et nature très diverses sont associées aux phénomènes de pollution atmosphérique locale avec parfois des manifestations très dangereuses pour la santé humaine. On sait aujourd’hui que ces particules ont toujours été un composant clef de l’atmosphère et qu’ils ont jouent un rôle important dans un vaste ensemble de phénomènes météorologie et climatique à de multiples échelles, locale, régionale et planétaire. La compréhension du climat de notre planète de pourrait être envisagée sans la prise en compte de leur effets radiatifs et hydrologiques. La diversité et la variabilité de leurs caractéristiques (propriétés physico-chimiques) ainsi que leur localisation et leur temps de résidence au sein dans l’atmosphère compliquent leur quantification, leur surveillance ainsi que la mesure de leurs différents impacts. L’influence climatique des aérosols s’exerce par le biais de différents processus complexes dont la compréhension est encore incertaine (IPCC 2013). Tout d’abord, les interactions des aérosols avec le rayonnement solaire sont responsables des effets direct (refroidissement ou réchauffement du climat) et semi-direct (lorsqu’ils réchauffent l’atmosphère et perturbent la formation des nuages). Enfin, les aérosols interagissent avec les gouttelettes nuageuses, ce qui impacte leurs propriétés physiques, leur durée de vie et les pluies (effets indirects). La caractérisation des aérosols et de leurs impacts climatique et sanitaires est une tâche difficile s’appuyant sur l’observation et la modélisation.

Les activités de l’équipe de recherche IAR ont pour objet la mesure et la surveillance de la composition atmosphérique notamment en aérosols et gaz précurseurs, la compréhension et modélisation des processus qui la gouvernent, ainsi que la détermination de leurs impacts dont certains en relation avec la nébulosité.

Notre démarche s’appuie sur des moyens d’observation et de modélisation multi-échelles, d’ailleurs au cœur des préoccupations du Labex CaPPA. Ces moyens d’observation s’étendent de la télédétection passive et active depuis le sol et l’espace, à la mesure optique in situ au sol, au développement instrumental, à la mise en œuvre de campagnes de mesures dédiées (SHADOW2, CLARIFY,..), au développement de méthodes inverses, de modélisations directe et inverse.

Nos activités sont déclinées sur 4 groupes ou thèmes de recherche s’intéressant aux propriétés et aux impacts radiatifs des aérosols sur le climat (resp. : Oleg Dubovik) ; à leurs variabilités et tendances (resp. : Fabien Waquet et Philippe Goloub) ; à leur cycle de vie (resp. : Fanny Minvielle) et leur impact sur la qualité de l’air et leurs manifestations extrêmes (resp. : Hervé Herbin).

L’équipe coordonne également les composantes française et européenne du réseau international de surveillance des aérosols AERONET, respectivement Service National d’Observation (SNO) PHOTONS et Service AERONET-Europe (ACTRIS/H2020/ESFRI). La mesure continue, par spectro-radiométrie, du rayonnement UV au sol, aussi sous la responsabilité de l’équipe, alimente le réseau international NDACC. Ces contributions sont intégrées aux SOERE ORAURE/ATMOS. Depuis 2015, le LiDAR Multi-longueur d’onde-Raman LILAS, développé et mis en œuvre par l’équipe, est membre du réseau européen de recherche EARLINET/ACTRIS. Enfin, depuis 2015 également, l’équipe élargit son spectre d’observation en mettant en œuvre un spectromètre à haute résolution spectrale (FTIR), des équipements de mesure optique in situ, ainsi qu’un système de prélèvement d’aérosols en collaboration avec le LASIR.

Ces travaux s’effectuent dans le cadre de projets régionaux (CPER CLIMIBIO), nationaux (CaPPA, VOLCPLUME, AEROCLO-SA, ORAURE/ATMOS (AllEnvi),…) et européens (STRATOCLIM, CCI2, ESA (IDEAS,…), EUMETSAT, ACTRIS-2, ACTRIS-RI) et impliquent de nombreuses collaborations avec le monde académique (USA, Chine, Japon, Russie, Espagne,…) et industriels (CIMEL Advanced Monitoring, GRASP-SAS, Catalyst, NOVELTIS, TENUM).

Cycle des aérosols et impact

Animateurs : Fanny Minvielle, Jean-Christophe Péré

Figure 1. Diminution de la température prés du sol dû à l'effet radiatif direct des aérosols modélisé par le modèle météorologique WRF pour la ville de Moscou durant l'épisode de feux de biomasse de l'été 2010 (courbes rouge versus verte). En noire sont représentées les mesures de la station météorologique.


Figure 2. Exemple de concentration massique en poussière désertique sur la zone du Sistan modélisée par RAMS : profil vertical en différentes zones (haut) et répartition horizontale à 2 altitudes différentes (bas).


Figure 3. Dispersion vers l'Europe du panache de SO2 issu de l'éruption Holuhraun du Bardarbunga fin Septembre 2014 (droite) observée grâce aux observations satellitaires OMI et (gauche) simulée à l'aide du modèle de chimie transport CHIMERE forcé par le modèle météorologique WRF (Boichu et al., ACP, 2016).

Au sein du laboratoire, les chercheurs de l’équipe IAR étudient les aérosols, ces particules en suspension dans l'air émises de manière naturelle (poussières désertiques, sels marins, végétation, volcans, …) ou par les activités humaines (transport, industrie, chauffage, …). Dans ce thème de recherche « cycle et impacts », nous nous intéressons plus particulièrement aux sources et modes d'émissions des aérosols, leurs processus de transport et de vieillissement ainsi que leurs impacts climatiques et leur rôle dans le développement d'épisodes de pollution.

Une grande diversité de sources d’aérosols existe avec des processus d’émissions tout aussi particuliers. Par exemple, les poussières et les sels marins sont soulevés par érosion de la surface terrestre ou marine selon un mécanisme à seuil dépendant à la fois de l’état et des propriétés de la surface et la vitesse du vent. Les aérosols provenant de feux de biomasse ou des volcans peuvent être eux injectés à des altitudes différentes en fonction des conditions environnementales ou de la dynamique éruptive. D'autres particules, dites secondaires, sont issues de conversion de gaz précurseurs tels que le dioxyde de soufre.

Nous étudions ces différentes sources et mécanismes d'émission afin de mieux caractériser la taille, la composition chimique, la répartition spatiale et les propriétés optiques et radiatives des aérosols et par là-même mieux prévoir leurs effets sur le climat et la qualité de l'air. En effet, par leur capacité de diffusion et d’absorption, les aérosols peuvent modifier le rayonnement solaire incident et le flux tellurique, c'est l'effet radiatif direct. Lorsqu'ils ont la capacité d'absorber le rayonnement solaire (poussières désertiques, aérosols carbonés) et en fonction de leur altitude de transport, ils peuvent également modifier les propriétés nuageuses, ce sont les effets radiatifs semi-direct. De plus, en agissant en tant que noyaux de condensation, ils peuvent modifier l'albédo et le temps de vie des nuages: Ce sont les effets radiatifs indirects. Tous ces effets participent à modifier localement la dynamique atmosphérique et la formation des nuages et peuvent favoriser, par exemple, l'accumulation des particules ou bien agir sur les bilans de formation de polluants d'intérêt sanitaire comme l'ozone.

Ce cycle de vie de l'aérosol et ses différents impacts associés sont analysés au travers de cas d'études comme les feux de biomasse en zone boréales et africaines, le soulèvement de particules minérales/terrigènes en Afrique de l'ouest, Sistan et Europe de l'est ou bien les panaches volcaniques riches en soufre, voire en cendres, qui affectent l'espace atmosphérique européen en provenance d'Islande et d'Italie par exemple. Pour ces recherches, nous utilisons des modèles méso-échelle de qualité de l'air (CHIMERE) ou météorologiques (RAMS, WRF) que nous modifions en fonction des connaissances actuelles et que nous évaluons à partir d'observations disponibles issues de l'outil satellite, de la photométrie, de mesures in-situ ou d'analyses en laboratoire. Ces activités s'imbriquent avec les autres axes de recherche de l'équipe IAR mais également avec celles de l'équipe IRN à travers les interactions aérosols-nuages ou via des méthodes communes de calcul de transfert radiatif, d'évaluation des propriétés optiques des particules et de la description de la dynamique atmosphérique.

À PROPOS DU LABORATOIRE

Le Laboratoire d'Optique Atmosphérique est une Unité Mixte de Recherche du CNRS et de l'Université de Lille - Sciences et Technologies, spécialisée dans l'étude des nuages, des aérosols, de leurs précurseurs et de leurs impacts environnementaux (climat, pollution).

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