Équipe IAR

Variabilité, tendances et évènements extrêmes

Animateurs : Isabelle Chiapello, Yevgeny Derimian

Pour comprendre les processus contrôlant l’évolution des contenus/propriétés/impacts des aérosols, l’objectif de ce thème est d’étudier leurs variabilités spatiale et temporelle. Ces travaux sont effectués à différentes échelles, depuis les études locales jusqu’aux approches régionales et globales basées sur les observations sol ou spatiales. La variabilité des aérosols est étudiée à différentes échelles temporelles, comprenant le cycle diurne, l’évolution journalière, saisonnière et interannuelle.
Notre approche s’appuie sur les propriétés des aérosols issues des réseaux, des satellites et celles déduites des plateformes d’observation fixes et mobiles à l’aide d’algorithmes d’inversion innovants développés par l’équipe. Les observations spatiales à l’échelle planétaire sont exploitées non seulement en ciel clair mais aussi en ciel nuageux, en particulier au-dessus des nuages liquides dans le cadre des missions PARASOL et 3MI.

Animation 1. Variabilité temporelle et spatiale de l’AOD restituée par l’algorithme GRASP (Dubovik et al., 2014) appliqué à PARASOL à l’échelle globale sur la période 2006-2013.

Figure 1. Climatologie de l’AOT et du SSA issus des mesures du photomètre AERONET à M’Bour (Sénégal) de 2003 à 2014 et leurs variations saisonnières. (Mortier et al., 2016).

Le LOA réalise également une analyse climatologique de l’évolution des sources et du transport de particules d’origine désertique sur une période pluridécennale, grâce à l’exploitation de l’indice «historique» IDDI fourni par les satellites géostationnaires européens (MFG et MSG) depuis 1984 au-dessus de l’Afrique et de l’Asie du Sud-Ouest.

Les mesures du réseau mondial de photomètres au sol AERONET apportent des données en continu depuis 1993 pour certains sites, en particulier ceux de Lille et M’Bour (Sénégal) gérés par le LOA dans le cadre d’ACTRIS-AERONET, et qui sont depuis 2005 des plateformes d’observations renforcées par des mesures Lidar, de flux radiatifs et in situ. Une première climatologie décennale des contenus et propriétés optiques des aérosols a été conduite sur ces deux sites de référence.

Pour l’étude d’événements extrêmes, qu’ils soient d’origine naturelle (volcanique, désertique) ou anthropique, les informations sur les aérosols et les espèces gazeuses acquises par les mesures sol (réseaux, plateformes), les mesures mobiles (en voiture ou aéroportées), et les satellites (PARASOL et bientôt 3MI, MODIS, CALIOP, IASI, IASI-NG, etc..) sont exploitées. L’enjeu est d’améliorer notre connaissance de la variabilité des propriétés des aérosols ainsi que notre compréhension de leur cycle de vie et de leurs impacts sur la qualité de l’air, le trafic aérien et le climat.
L’équipe mesure également le rayonnement UV en surface et sa variabilité sur 3 sites du réseau ACTRIS-NDACC-UV, en relation avec les aérosols, les nuages et l’ozone pour une meilleure prise en compte des impacts photochimiques et sanitaires associés.

Figure 2. Série temporelle des moyennes mensuelles de profils verticaux d’extinction, hauteurs de couches limites (points blancs) et de couches d’aérosols (points noirs) fournies par le Lidar de 2006 à 2014 à M’Bour (Sénégal). (Mortier et al., 2016).

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.

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.

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).

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.