Les impacts radiatifs des a´erosols

Les particules d’a´erosol pr´esentes dans l’atmosph`ere interagissent avec le rayonnement solaire et tellurique `a tout moment. Ces interactions sont gouvern´ees par les propri´et´es optiques des a´erosols d´ependant directement de la taille et la forme ainsi que de la composition chimique et min’erale de la particule. Ainsi, selon leur taille et leur composition chimique, les particules vont absorber ou diffuser une quantit´e variable du rayonnement ´emis ou r´e´emis. Selon la localisation de l’a´erosol et sa capacit´e `a absorber ou diffuser le rayonnement (Johnson, 2003; Johnson et al., 2004), l’impact radiatif aura deux effets. Il aura pour cons´equence soit de refroidir une certaine

37 2.3. Les impacts des a´erosols dans l’atmosph`ere hauteur de couche de l’atmosph`ere si les particules sont par exemple concentr´ees au-dessus de la couche limite de m´elange et ont la capacit´e de r´efl´echir le rayonnement solaire (effet direct), soit de r´echauffer la couche limite si les particules sont concentr´ees dans la couche limite et qu’elles ont la capacit´e d’absorber le rayonnement solaire. Les impacts de ces r´echauffements ou refroi- dissements de la couche atmosph´erique peuvent conduire `a la dissipation totale d’une couche nuageuse (on parle alors dans ce cas d’effet semi-direct), ou `a un refroidissement de plusieurs degr´es de la couche limite dans le cas d’´episodes s´ev`eres mettant en jeu l’effet direct des a´erosols comme lors des ´episodes de tempˆetes de poussi`eres d´esertiques (Tulet et al., 2008; Mallet et al., 2009).

Pour estimer les propri´et´es optiques des a´erosols, il est n´ecessaire de d´efinir son indice de r´efraction complexe. Cet indice compos´e d’une partie r´eelle et d’une partie imaginaire d´epend directement de la composition chimique de l’a´erosol, et s’exprime alors de la fa¸con suivante :

k = kr− i.ki (2.5)

Dans la r´ealit´e, les a´erosols ´etant compos´es d’un m´elange de plusieurs esp`eces diff´erentes, il existe plusieurs m´ethodes pour calculer l’indice de r´efraction ´equivalent d’une particule.

Pour les particules consid´er´ees sph´eriques, et une fois l’indice de r´efraction de la particule d´efini, les propri´et´es optiques des a´erosols sont g´en´eralement calcul´ees selon soit la th´eorie de Mie (Mie, 1908), soit par la th´eorie de Rayleigh. Le choix d´epend de la taille de la particule par rapport `a la longueur d’onde. Ainsi, lorsque les particules sont tr`es petites et lorsque le param`etre de forme

d´efini par π.d

λ , avec d le diam`etre de la particule et λ la longueur d’onde, est tr`es inf´erieur `a 1, il

convient d’appliquer la th´eorie de Rayleigh Dans ce cas les interactions entre les particules et le rayonnement sont du mˆeme type que les interactions entre les gaz et le rayonnement. Lorsque la taille des particules est du mˆeme ordre de grandeur que la longueur d’onde, il convient d’ap- pliquer la th´eorie de Mie.

Les propri´et´es optiques relatives `a une particule sont d´efinies par les efficacit´es d’absorption,

de diffusion et d’extinction respectivement not´ees Qabs, Qdif, Qext, ainsi que par la fonction de

phase. Ces propri´et´es optiques r´epondent `a la loi :

Qext= Qabs+ Qdif (2.6)

Afin de prendre en compte ces propri´et´es optiques dans les mod`eles, trois param`etres sont g´en´eralement pr´ef´er´es pour des raisons de simplicit´e et de coˆut de calcul : le coefficient d’extinc-

tion b en m−1_{, l’alb´edo de diffusion simple SSA et le facteur d’asym´etrie g. Ils sont d´eduits des}

b(λ) = Z +∞ 0 Qext(r, λ)πr2n(r)dr (2.7) SSA(λ) = R+∞ 0 Qsca(r, λ)πr 2_n(r)dr R+∞ 0 Qext(r, λ)πr2n(r)dr (2.8) g(λ) = R+∞ 0 r2n(r)Qsca(r, λ)g 0_{(r, λ)dr} R+∞ 0 r2n(r)Qsca(r, λ)dr (2.9)

avec n(r) la distribution granulom´etrique de la population d’a´erosols et g0 _{d´eduit du premier}

polynˆome de Legendre solution de la fonction de phase < cosθ >.

Ces trois param`etres sont tr`es utiles pour caract´eriser les propri´et´es optiques des a´erosols car ils renseignent sur leurs propri´et´es `a diffuser ou absorber le rayonnement `a une longueur d’onde donn´ee.

Ainsi, le coefficient d’extinction caract´erise la quantit´e de rayonnement interagissant, c’est- `a-dire absorb´e ou diffus´e par les particules. Lorsque ce coefficient est int´egr´e sur toute la colonne de l’atmosph`ere, ildonne l’´epaisseur optique d’extinction ou AOD pour Aerosol Optical Depth, qui nous renseigne sur la quantit´e de rayonnement diffus´e ou absorb´e par la colonne enti`ere de l’atmosph`ere. Cette information est ´egalement pratique car elle est facilement mesurable, soit par des syst`emes instrument´es au sol, soit par des observations satellitales.

L’alb´edo de diffusion simple (SSA) nous renseigne sur la capacit´e des particules `a avoir un comportement plutˆot absorbant ou plutˆot diffusant. Ainsi, une particule pr´esentant un SSA tendant vers 1 indique une capacit´e forte `a diffuser le rayonnement, alors qu’une particule ca- ract´eris´ee par un SSA tendant vers 0 aura tendance `a fortement absorber le rayonnement.

Enfin, le facteur d’asym´etrie renseigne sur la direction dans laquelle les particules diffusent la lumi`ere de fa¸con privil´egi´ee. Variant entre -1 et 1, ce facteur tend vers 1 lorsque le rayonnement est diffus´e vers l’avant, vers -1 lorsqu’il est diffus´e vers l’arri`ere et vaut 0 lorsque la diffusion est totalement isotrope.

Il est ´egalement `a noter qu’il existe d’autres th´eories et m´ethodes pour calculer les propri´et´es optiques des particules, notamment dans le cas o`u les a´erosols ne sont pas sph´eriques, ou dont la taille se trouve a la limite de l’applicabilit´e de la th´eorie de Mie (T-Matrice de Mishchenko).

A titre d’exemple, la figure 2.11 illustre le param`etre d’´epaisseur optique des a´erosols (AOD) observ´e par le satellite Aqua de la NASA durant un ´episode de feux de forˆets au Nicaragua et au Honduras en 2008.

39 2.3. Les impacts des a´erosols dans l’atmosph`ere

Fig. 2.11: Image d’Aerosol Optical Depth (AOD) de feux pr´esents au Nicaragua et au Honduras `a partir du satellite Aqua de la NASA avec l’instrument Moderate Resolution Imaging Spectroradio- meter (MODIS), le 27 avril 2008.