CONTRIBUTION DE LA COLLECTE ET DE LA MICROPHYSIQUE

Sur la Figure 4-35 est présentée la contribution du mécanisme de collecte dans la microphysique pour le nuage stratiforme idéalisé. De la même manière, la contribution de la microphysique dans l’évolution totale en concentration d’aérosol de type 2 est visible sur la Figure 4-36.

Figure 4-35 Contribution spatio-temporelle de la collecte dans la microphysique au sein du nuage stratiforme idéal pour des rayons d’aérosols allant de 315 nm à 1,26 μm pour les trois matrices

Durant les phases où les vents verticaux sont ascendants (Figure 4-10, gauche), par exemple, durant les 15 premières minutes sur les Figures 4-35 et 4-36, le rayon d’activation est de l’ordre de 300 nm (Figure 4-12, bas). Les aérosols de rayon compris entre 315 nm et 1,26 μm participent alors à la nucléation de gouttes - l’activation domine le mécanisme de collecte. Le processus de collecte s’affirme uniquement dans les régions du nuage où les vents ascendants sont faibles. La collecte est aussi majoritaire dans les phases de subsidence où le nuage précipite (Figure 4-10, droite). Dans la zone de précipitation, l’air est sous-saturé (Figure 4-12, haut), l’activation est nulle et les vents sont faibles.

Dans ces phases de vents descendants, l’advection domine (Figure 4-36), apportant notamment des aérosols interstitiels depuis le sommet du nuage (la concentration en aérosol augmente alors en partie haute du nuage, Figure 4-13). Le mécanisme de collecte devient le principal effet microphysique impliqué dans la variation de la concentration en aérosol, surtout pour de gros aérosols où les efficacités de collecte sont importantes. Entre le centre et la base du nuage où l’air est sous-saturé en vapeur (Figure 4-12, haut), une partie des gouttes se désactive. Des aérosols sont alors libérés dont une fraction est collectée durant le même pas de temps. Pour rappel, dans DESCAM, l’activation et la désactivation ont lieu avant la collecte durant un pas de temps. Cela s’observe dans les régions où la collecte et les autres processus microphysiques (ici essentiellement la désactivation car le grossissement hygroscopique est négligeable et il n’y pas de phase glace) contribuent à parts égales (zones bleu clair, Figure 4-35). Dans ces zones très localisées, l’effet des forces électrostatiques est notamment visible par l’augmentation de ces zones bleu clair entre le cas de référence (𝐶𝑎𝑠_𝑅𝑒𝑓) et les matrices considérant les effets électrostatiques (𝑆𝑡𝑟𝑎𝑡_𝐴𝑡𝑡𝑟𝑎𝑐 et 𝑆𝑡𝑟𝑎𝑡_𝑅𝑒𝑝𝑢𝑙𝑠). Notons que pour le cas stratiforme, les matrices avec les forces électrostatiques augmentent la collecte (voir 4.1.3.4).

Figure 4-36 Contribution spatio-temporelle de la microphysique dans la variation d’aérosol au sein du nuage stratiforme idéalisé pour des rayons d’aérosol allant de 315 nm à 1,26 μm - tailles pour

lesquelles les efficacités de collecte sont modifiées dans les matrices 𝐶𝑎𝑠_𝑅𝑒𝑓, 𝑆𝑡𝑟𝑎𝑡_𝐴𝑡𝑡𝑟𝑎𝑐 et 𝑆𝑡𝑟𝑎𝑡_𝑅𝑒𝑝𝑢𝑙𝑠 par les effets électrostatiques.

4.2.2.3 ÉVOLUTION DU SPECTRE GRANULOMETRIQUE DANS LE NUAGE

Le spectre granulométrique de l’aérosol de type 2 au centre du nuage (990 m) est présenté sur la Figure 4-37 au début (0 min) et à la fin (60 min) de la deuxième période - soit deux cellules nuageuses.

Figure 4-37 Spectre granulométrique de l’aérosol (type 2) à une altitude de 990 m (milieu du nuage stratiforme idéalisé) entre le début et la 60ème minute de simulation.

De la même manière que pour le nuage convectif CCOPE, on examine les variations du spectre, à cette altitude durant les deux premières périodes, liées au mécanisme de collecte dans la microphysique (Figure 4-38) et de la microphysique dans la variation totale de la concentration en aérosol (Figure 4-39).

Pour un aérosol de 1,26 μm, comme pour le cas convectif, la variation liée à la collecte a été augmentée en considérant les effets électrostatiques, passant de 1,5x10-7 cm-3 pour le cas sans force électrostatique (𝐶𝑜𝑛𝑣_𝑅𝑒𝑝𝑢𝑙𝑠) à 1,9x10-5 cm-3 pour les deux matrices (Figure 4-38) considérant les effets électrostatiques (𝑆𝑡𝑟𝑎𝑡_𝐴𝑡𝑡𝑟𝑎𝑐 et 𝑆𝑡𝑟𝑎𝑡_𝑅𝑒𝑝𝑢𝑙𝑠). Néanmoins, les forces électrostatiques étant proportionnelles aux produits des charges, l’effet sur la variation liée à la collecte devient alors significatif pour des aérosols bien plus gros que pour le cas CCOPE dès lors que les charges électriques associées aux gouttes sont inférieures dans le nuage stratiforme modélisé. C’est seulement à partir de 315 nm, que l’on distingue les différences entre les 3 matrices alors que, pour CCOPE, dès 49,6 nm les effets électrostatiques étaient importants.

Même si les niveaux de sursaturation sont plus faibles dans le nuage stratiforme idéalisé (max 0,5 %, Figure 4-12, haut) que dans le nuage liquide CCOPE (max 2 %, Figure 4-8, gauche), le rayon d’activation minimum au centre du nuage est de l’ordre de 300 nm dans les phases de vents ascendants (Figure 4-44, gauche). En témoigne, le rapport de la contribution de la collecte sur la microphysique quasi nul (Figure 4-38, bas). La variation des gros aérosols entre les deux spectres (Figure 4-37) vient donc essentiellement du processus d’activation. Ces aérosols, où les effets électrostatiques sont susceptibles d’être de premier ordre, ont alors tous servi de noyau de nucléation.

Notons que la domination de la collecte dans la microphysique, qui intervient en deuxième partie de période (durant la phase de subsidence), est bien trop marginale pour qu’au bilan, les forces électrostatiques influent sur le spectre granulométrique à cette altitude.

Figure 4-38 Variation de concentration liée à la collecte (Milieu) et aux autres processus microphysiques (Haut) dans l’évolution du spectre granulométrique de l’aérosol de type 2 au centre

de nuage stratiforme idéalisé (990 m) entre le début de la simulation et la 60ème minute. Les résultats sont présentés pour les 3 simulations (pour les matrices 𝐶𝑎𝑠_𝑅𝑒𝑓, 𝑆𝑡𝑟𝑎𝑡_𝐴𝑡𝑡𝑟𝑎𝑐 et 𝑆𝑡𝑟𝑎𝑡_𝑅𝑒𝑝𝑢𝑙𝑠). En vert, la variation est positive - apport d’aérosol - en rouge, la variation est négative - réduction du nombre d’aérosols. Le rapport de la collecte sur la variation du fait de la microphysique est aussi présenté (Bas) pour les 3 simulations. La zone grisée représente les tailles

Figure 4-39 Variation de concentration liée à la microphysique (Milieu) et à l’advection (Haut) dans l’évolution du spectre granulométrique de l’aérosol de type 2 au centre de nuage stratiforme idéalisé (990 m) entre le début de la simulation et la 60ème minute. Les résultats sont présentés pour les 3 simulations (pour les matrices 𝐶𝑎𝑠_𝑅𝑒𝑓, 𝑆𝑡𝑟𝑎𝑡_𝐴𝑡𝑡𝑟𝑎𝑐 et 𝑆𝑡𝑟𝑎𝑡_𝑅𝑒𝑝𝑢𝑙𝑠). En vert, la variation est positive - apport d’aérosol - en rouge, la variation est négative - réduction du nombre d’aérosols. Le rapport de la microphysique sur la variation totale de concentration est aussi présenté (Bas) pour les 3 simulations. La zone grisée représente les tailles d’aérosol où les efficacités de collecte sont

modifiées par les effets électrostatiques.