Epaisseur optique et for¸cage radiatif direct

Epaisseur optique atmosph´erique

Il est difficile d’obtenir des valeurs exp´erimentales d’´epaisseur optique atmosph´erique (AOD) d’a´erosols marins uniquement. En effet, il est rare que l’unique contribution des a´erosols sur la colonne atmosph´erique soit d’origine marine. Cependant, sous des conditions appel´<sub>ees « condition atmosph´erique marine propre », on consid`ere que l’influence principale</sub> est d’origine marine. Le r´eseau de radiom`etre AERONET est la source principale de mesures d’AOD `a l’´echelle globale (Dubovik et King, 2000; Dubovik et al., 2002). Ses observations et inversions servent r´eguli`erement de comparaison aux r´esultats de mod´elisation (Jaegl´e et al., 2011; Spada et al., 2013; Partanen et al., 2014; Sic et al., 2015; Menut et al., 2015).

Au niveau global, les valeurs d’AOD dues aux a´erosols marins sont faibles compar´ees aux poussi`eres d´esertiques. Ainsi on retrouve des valeurs inf´erieures `a 0.1 dans la plupart des oc´<sub>eans « propres » avec une valeur moyenne de 0.07 (`a 500nm) (Smirnov et al. (2002), don-</sub> n´ees sur 2 `a 5 ans, issues de trois stations AERONET situ´ees dans l’oc´ean Pacifique tropical et 2 stations dans l’oc´ean Atlantique tropical et subtropical). Si la plupart des observations d´enotent des valeurs inf´erieures ou proches de 0.1, Mulcahy et al. (2008) ont d´etermin´e une relation entre vitesse du vent `a la surface et AOD due aux a´erosols marins `a partir d’ob- servations r´ealis´ees `a la station GAW de Mace Head (Irlande). Pour des vitesses de vent comprises entre 4 et 18 m s−1, l’AOD (`a 500 nm) varie entre 0.03 et 0.38.

Le bassin m´editerran´een est bien instrument´e par ce r´eseau, mais on retrouve rarement des conditions atmosph´eriques marines propres, pour les raisons pr´esent´ees dans la section 2.1.1. Cependant, on retrouve le mˆeme ordre de grandeur pour l’AOD mais avec des valeurs l´eg`e- rement sup´erieures. En effet, Pace et al. (2006) indiquent `a Lampedusa une valeur moyenne d’AOD pour des conditions marines propres de 0.11 (`a 495.7 nm), de juillet 2001 `a septembre 2003. De la mˆeme mani`ere, dans le bassin m´editerran´een Est, en Crˆete, pour les ann´ees 2003 et 2004, la valeur moyenne de bruit de fond de l’AOD, associ´ee `a des a´erosols marins, est de 0.15 `a 340 nm et de 0.1 `a 500 nm (Fotiadi et al., 2006). Enfin, Spada et al. (2013) ont obtenu pour le mois de janvier (moyenne sur une p´eriode de 5 ans, de 2002 `a 2006) un AOD d’environ 0.04 (`a 500 nm). Cette valeur est assez faible, ´etant donn´e que les ´emissions d’a´erosols marins sont favoris´ees l’hiver `a cause des conditions m´et´eorologiques. A l’´echelle climatique, Nabat et al. (2013) obtient des moyennes mensuelles inf´erieures `a 0.05 (`a 550 nm) dans le bassin m´editerran´een, en utilisant des observations satellites et des donn´ees issues de simulations num´eriques.

Ainsi, l’impact des a´erosols marins sur l’AOD est majoritairement assez faible et carac- t´eris´e par des valeurs inf´erieures `a 0.1 dans les courtes longueurs d’ondes. Les observations et r´esultats de mod´elisation dans les bassin m´editerran´een sont en accord avec ces valeurs. Cependant, les a´erosols marins, lors de conditions extrˆemes comme observ´ees `a Mace Head,

peuvent ˆetre caract´eris´ees par des valeurs atteignant 0.4 (`a 500 nm), du mˆeme ordre de gran- deur que lors d’´ev`enements de poussi`eres d´esertiques mod´er´es ou de feux de biomasse. For¸cage radiatif direct

Cette derni`ere partie se focalise sur l’effet radiatif direct des a´erosols marins au niveau glo- bal et dans le bassin m´editerran´een. Comme vu pr´ec´edemment, de par leur spectre de taille ´

etendu (quelques nm `a plusieurs microm`etres) les a´erosols marins ont un impact `a la fois dans les courtes et grandes longueurs d’ondes. Ils ont des propri´et´es majoritairement diffusantes dans la bande SW et sont la cause majeure de diffusion de la lumi`ere dans des conditions marines propres (Quinn et Bates, 2005). Le for¸cage radiatif est g´en´eralement estim´e `a partir d’observations (algorithmes d’inversion des donn´ees observ´ees par les radiom`etres des sta- tions AERONET (Garc´ıa et al., 2008)) o`u mod´elis´e au niveau global ou r´egional, `a ´echelle climatique ou pour des cas d’´etude comme c’est le cas dans ce travail de th`ese.

Au niveau global, le for¸cage radiatif dans les courtes longueurs d’ondes des a´erosols marins au sommet de l’atmosph`ere (pour des conditions de ciel clair) est n´egatif et assez faible. Ainsi, Grini et al. (2002) ont obtenu une moyenne de -2.2 W m−2. En parall`ele, Ma et al. (2008) ont mod´elis´e un for¸cage radiatif direct global (TOA) de -1.34 W m−2 pour les mois de Juin- Juillet-Aout (JJA) en ciel clair, avec le mod`ele AGCM4. Podgorny et al. (2000) obtiennent des valeurs similaires au niveau de l’oc´ean Indien (-1.36 W m−2). Des valeurs plus faibles ont ´

et´e rapport´ees par Reddy et al. (2005) avec le mod`ele LMDZT GCM, de l’ordre de -0.63 W m−2 (moyenne globale annuelle). Enfin, Partanen et al. (2014) ont simul´e le for¸cage radiatif des a´erosols marins `a l’´echelle global, en utilisant le sch´ema d’´emission d’Ovadnevaite et al. (2014) dans le mod`ele ECHAM-HAMMOZ pour les ann´ees 2006 `a 2010. Celui-ci, moyenn´e sur 5 ans, a ´et´e estim´e `a -0.53 W m−2 au TOA pour des conditions de ciel clair.

Sur le bassin m´editerran´een `a pr´esent, Nabat et al. (2015a) ont obtenu un for¸cage radiatif direct, au niveau r´egional, ´equivalent `a la surface et au TOA et compris entre 0 et -1 W m−2, avec le mod`ele CNRM-RCSM4 pour une simulation couvrant la p´eriode de 2003 `a 2009. En plus de cette simulation, le for¸cage radiatif journalier des a´erosols marins au niveau du bassin m´editerran´een Est (conditions de ciel clair), a ´et´e estim´e par Mishra et al. (2014) pendant l’´et´e 2010 en utilisant des observations satellitaires et in-situ ainsi qu’un mod`ele de transfert radiatif. Le for¸cage `a la surface et au sommet de l’atmosph`ere est n´egatif et du mˆeme ordre de grandeur, avec des valeurs moyennes comprises entre -5 et -10 W m−2. Enfin, Lundgren et al. (2013) ont r´ealis´e une simulation de trois jours, du 24 au 26 juillet 2006, sur le bassin m´editerran´een, avec le mod`ele COSMO-ART (Vogel et al., 2009) pour des conditions m´et´eorologiques mod´er´ees (vitesse du vent en surface compris entre 5 et 7.5 m s−1.) Pour des conditions de ciel clair et sur tout le domaine (surfaces continentales et oc´eaniques), l’ERD en SW est de -0.62 _{± 3.71 W m}−2 `a la surface et de -0.47 _{± 3.21 W m}−2

au TOA.

Comme indiqu´e pr´ec´edemment, les a´erosols marins ont la capacit´e d’interagir avec les courtes et grandes longueurs d’ondes mais peu d’estimations sont disponibles dans le LW. Ainsi, Ma et al. (2008) ont obtenu des valeurs de for¸cage radiatif direct global LW (TOA) moins importantes que dans le SW. La moyenne obtenue pour les mois JJA est de +0.03 W m−2 en ciel clair. Des valeurs plus importantes ont ´et´e obtenues par Reddy et al. (2005) pour des conditions de ciel clair ´egalement, de l’ordre de +0.21 W m−2. Enfin, Lundgren et al. (2013) mod´elisent un for¸cage radiatif dans les grandes longueurs d’ondes de +0.19 _± 1.08 W m−2 `a la surface et de +0.05<sub>± 0.54 W m</sub>−2 au TOA. Celles-ci repr´esentent, `a notre connaissance, la seule estimation du for¸cage radiatif LW `a l’´echelle de l’´episode, sur le bassin m´editerran´een.

Caract´erisation des a´erosols marins

primaires pendant la campagne de

mesures ChArMEx-ADRIMED

Sommaire

3.1 Campagne de mesures ChArMEx-ADRIMED . . . 35 3.2 R´esum´e de l’article . . . 37 3.3 Optical, physical and chemical properties of aerosols transpor-

ted to a coastal site in the Western Mediterranean : Focus on primary marine aerosols . . . 38 3.4 Conclusion . . . 82

3.1

Campagne de mesures ChArMEx-ADRIMED

Le projet ChArMEx (Chemistry-Aerosol Mediterranean Experiment) s’inscrit dans le programme international de recherche MISTRALS (Mediterraneane Integrated STudies at Regional And Local Scales). Ce programme a ´et´e mis en place pour essayer de mieux com- prendre le fonctionnement environnemental de la r´egion M´editerran´ee dans le cadre du r´e- chauffement climatique, afin d’am´eliorer la pr´ediction des changements futurs. MISTRALS est compos´e de huit programmes de recherche dont ChArMEx dans lequel s’inscrit ce travail de th`ese.

ChArMEx a pour but de mieux comprendre la composition atmosph´erique (gaz et a´erosols) dans le bassin M´editerran´een et de ses impacts sur le climat r´egional, la qualit´e de l’air ainsi que la biog´eochimie marine et continentale. En plus d’une instrumentation install´ee sur plusieurs sites pour plusieurs ann´ees, ce programme a fait l’objet de plusieurs campagnes de mesure dites intensives (SOP pour Special Observation Period), focalis´ees sur les masses

d’air pollu´ees au dessus du bassin (TRAQA, SOP 0, juin et juillet 2012), les interactions a´erosols-rayonnement-climat (ADRIMED, SOP 1a, juin et juillet 2013) ou la formation d’a´e- rosols secondaires (SAFMED, SOP 1b, juillet et aout 2013).

Cette ´etude s’inscrit en particulier dans la campagne de mesure ADRIMED (Aerosol Direct Radiative Impact on the regional climate in the MEDiterranean region) dont le r´esum´e est pr´esent´e par Mallet et al. (2016) que l’on peut retrouver en annexe C. Cette campagne de mesure s’est d´eroul´ee en juin et juillet 2013 dans le bassin m´editerran´een ouest. Diff´erents moyens ont ´et´e mis en oeuvre pendant cette p´eriode d’observation dont les avions instru- ment´es pour la recherche ATR-42 et Falcon 20 (SAFIRE) bas´es `a Cagliari (Sardaigne).

Figure 3.1 – Localisation du site de mesure d’Ersa. Cartes extraites de Google Map. Deux super-sites, comprenant une instrumentation a´erosols tr`es fournie ont ´et´e install´es pour la p´eriode. Ces stations ´etaient instrument´ees pour caract´eriser les propri´et´es physiques, chimiques et optiques des a´erosols ainsi que leur m´elange et leur structure verticale. Le pre- mier se situe `a Ersa (42.9694°N, 9.3803°W), sur la pointe nord du Cap Corse, `a 533 m asl d’altitude (Fig. 3.1 et 3.2). Cette station de mesure est entour´ee par la mer `a l’Ouest, `a l’Est et au Nord, `a quelques kilom`etres, et par des montagnes au Sud (<sub>∼ 1000 m asl). Elle</sub> est situ´ee dans une r´egion que l’on peut appeler recul´ee, et n’est que tr`es peu impact´ee par des sources de pollution locales, la ville la plus proche ´etant situ´ee `a quelques kilom`etres de distance. Ainsi, la concentration en nombre moyenne des a´erosols mesur´ee pendant l’´et´e 2013 ´etait d’environ 2000 cm−3, ce qui correspond `a des concentrations d’un site recul´e. Une description d´etaill´ee du site peut ˆetre trouv´ee dans Mallet et al. (2016). Le second site ´etait situ´e `a Lampedusa (35°31 5 N, 12°37 51 E, 45 m asl).

Les nombreuses donn´ees obtenues sur la physique, la chimie et les propri´et´es optiques des a´erosols pendant la campagne de mesure ChArMEx-ADRIMED `a Ersa, coupl´ees avec les simulations FLEXPART ont conduit `a une ´etude approfondie sur les a´erosols marins. Cette ´etude a fait l’objet d’un article soumis dans le journal scientifique ACP (Atmospheric Chemistry and Physics). Cet article est actuellement en cours de discussion.

Figure 3.2 – Photos du site de mesures install´e `a Ersa. A gauche vue globale du site depuis une

´eolienne, `a droite les containers contenant les instruments avec au premier plan celui de M´et´eo- France et en arri`ere-plan, celui du LSCE.