2.2 A´ erosols marins Emissions et param´ etrisations
2.2.2 Param´ etrisations des ´ emissions
Les premi`eres param´etrisations d’´emissions d’a´erosols marins ont ´et´e d´evelopp´ees en fonc- tion de la surface couverte par le moutonnement. Le taux de d´eferlement (whitecap fraction en anglais), correspondant au rapport entre la surface moutonneuse et la surface totale. Tout d’abord, Monahan et Muircheartaigh (1980) sugg´er`erent, `a partir d’observations photogra- phiques que le taux de d´eferlement (WM) d´ependait de la vitesse du vent `a 10 m (U10) selon
WM = αU β
10 (2.2)
Ensuite, un flux d’´emission (Equation 2.3) d´ependant de la distribution de taille avec cette d´ependance `a la vitesse du vent `a 10 m a ´et´e propos´e par Monahan et al. (1986).
dF dr = WMr −3 80(1 + 0.057r 1.05 80 )(10 1.19exp(−B2) ) (2.3) avec B = 0.38− log(r80) 0.65 (2.4)
Cette ´equation ´etant valide pour des diam`etres (Dp) allant de 0.1 `a 10 µm.
La classe de diam`etre pour laquelle les param´etrisations du flux d’a´erosols marins sont valides a ensuite ´evolu´e pour s’´etendre `a des gammes de tailles plus fines et plus grossi`eres. Certaines param´etrisations plus r´ecentes bas´ees sur ce taux de d´eferlement prennent en plus en compte la temp´erature de surface de l’eau de mer (SST) et la salinit´e de l’eau (Sofiev et al., 2011; Gong, 2003; Clarke et al., 2006; Jaegl´e et al., 2011), tout en gardant l’expression du taux de d´eferlement WM de Monahan et Muircheartaigh (1980). La temp´erature de surface de l’eau
ayant une influence sur l’´emission des a´erosols marins, plusieurs param´etrisations prennent maintenant en compte ce param`etre (Jaegl´e et al., 2011; Sofiev et al., 2011; Ovadnevaite et al., 2014).
Jaegl´e et al. (2011) a ensuite modifi´e les param´etres α et β de ce taux de d´eferlement tout en gardant la mˆeme loi de puissance (2.2). Ces param`etres sont sp´ecifi´es dans le tableau 2.1. De plus, ils ont ajout´e au flux d’´emission un poids en fonction de la temp´erature suivant une loi empirique (Eq. 2.5), les ´emissions d’a´erosols marins augmentant avec la temp´erature. TW(T ) = 0.3 + 0.1T − 0.0076T2+ 0.00021T3 (2.5)
α β R´ef´erence
WM 3.84 10−6 3.41 Monahan et Muircheartaigh (1980)
WJ 25.5 10−6 2.07 Jaegl´e et al. (2011)
Table 2.1 – Coefficients α et β des param´etrisations d´efinissant le taux de d´eferlement en fonction de la vitesse du vent `a 10 m.
En parall`ele, d’autres param´etrisations ont ´egalement ´et´e d´evelopp´ees, comme celles d´e- crites par Smith et al. (1993) et Smith et Harrison (1998) (Eq. 2.6) non plus bas´ees sur le taux de d´eferlement WM de Monahan et Muircheartaigh (1980) mais sur des mesures issues
dF dr80
= 0.2U103.5exp(−1.5(log(r80 3 ))
2
) + 6.8U103 exp(−1(log(r80 30))
2
) (2.6) Dans ce contexte de d´eveloppement des param´etrisations, la zone de surf a ´egalement fait l’objet de travaux sp´ecifiques. Plusieurs param´etrisations prenant en compte cette zone pour l’´emission des a´erosols marins sont utilis´ees. Ainsi, Leeuw et al. (2000) proposent une param´etrisation pour les zones de surf pour des vitesses de vent n’exc´edant pas 9 m s−1 (Eq. 2.7). dF dDp = 4exp(0.23U10)U103.41r −1.5 80 (2.7)
Des param´etrisations d’´emissions d’a´erosols marins sp´ecifiques au milieu cˆotier, pour l’utilisation de mod`ele 1D ont ´et´e d´evelopp´ees. Piazzola et al. (2002) ont ainsi modifi´e la pa- ram`etrisation de Monahan et al. (1986) pour prendre en compte la d´ependance `a la longueur de fetch.
Enfin, plusieurs m´ethodes de mesure ont servi `a d´evelopper des param´etrisations, comme la mesure de flux sur bateau (Petelski et Piskozub, 2006), (Eq. 2.8)) `a partir de mesures d’eddy correlation (Norris et al., 2008). Le d´etail de ces param´etrisations est disponible dans Grythe et al. (2014). dF dlogDp = 70exp(0.21U10)r 3 80exp(−0.58r80) 1− exp − (0.11r280 U10 ) (2.8) Enfin, r´ecemment, Ovadnevaite et al. (2014) ont publi´e une param´etrisation bas´ee `a la fois sur des mesures effectu´ees `a la station GAW de Mace Head (Irlande) et sur des mesures issues de campagnes bateau dans l’Atlantique Nord. Cette param´etrisation est d´ependante de la vitesse du vent, de la SST et de la hauteur significative des vagues. De plus, contrairement aux param´etrisations existantes, les flux de chaque mode ont une d´ependance diff´erente `a ces param`etres. Cette param´etrisation a ´et´e impl´ement´ee dans le mod`ele MesoNH et est pr´esent´ee plus en d´etail dans la section 4.2.1. La d´ependance des flux d’´emissions `a la temp´erature de surface de l’eau pour les param´etrisations de Jaegl´e et al. (2011) et Ovadnevaite et al. (2014) est illustr´ee sur la figure 2.4. Pour des temp´eratures extrˆemes (∼ 5°C et ∼ 30 °C), elles sont identiques alors que pour des temp´eratures interm´ediaires, la param´etrisation de Jaegl´e et al. (2011) ´emet moins de particules.
Figure 2.4 – D´ependance des flux d’´emissions `a la temp´erature de surface de l’eau pour deux
param´etrisations (Jaegl´e et al. (2011) et Ovadnevaite et al. (2014)) pour une vitesse de vent de 9 m s−1 et un diam`etre Dp=1 µm. Extrait d’Ovadnevaite et al. (2014).
Param´etrisation Distribution de taille
Param`etres Diam`etres (µm) Vent (ms−1) R´ef´erence MON86 Fonction sp´ecifique u10 0.3 < r80 < 20 na Monahan et al. (1986) VIG01 distribution lognormale u10 0.04 < r80 < 13 6-17 Vignati et al. (2001)
GON03 3 modes u10 0.07 < r80 < 20 na Gong
(2003) SCH04 3 modes u10 0.28 < Dmasse < 15.32 na Schulz et al. (2004) CLA06 distribution lognormale u10 0.01 < D < 8 na Clarke et al. (2006) OVA14 distribution lognormale u10, Hw, Sa- linit´e, SST 0.015 < Ddry < 6 na Ovadnevaite et al. (2014) 5 modes
Table 2.2 – R´esum´e des diff´erentes variables prises en compte dans quelques param´etrisation d’´emissions d’a´erosols marins.
Il existe donc un nombre important de param´etrisations, d´ependant majoritairement de la vitesse du vent `a 10 m, avec des facteurs diff´erents. Ces param´etrisations sont bas´ees sur des
observations photographiques, des campagnes de mesures ou des exp´eriences en laboratoire. Certaines param´etrisations prennent en compte, en plus du vent `a 10 m, la SST, la salinit´e ou l’´etat de la mer. La gamme de validit´e des diam`etres des particules est ´egalement diff´erente selon les param´etrisations.
Toutes ces diff´erences ont un impact sur les ´emissions mod´elis´ees. Au premier niveau sur les concentrations en masse et en nombre, ainsi que sur la charge atmosph´erique qui vont `
a leur tour engendrer des diff´erences sur les propri´et´es radiatives (notamment l’extinction du rayonnement) des a´erosols marins. Ainsi, Grythe et al. (2014) a r´ealis´e un travail de comparaison de 21 fonctions sources, avec le mod`ele FLEXPART, notamment en ce qui concerne leur d´ependance au vent et `a la SST et leur concentration normalis´ee en fonction de la vitesse du vent. En r´esum´e, la variabilit´e entre ces sch´emas d’´emission est importante. En effet, en ce qui concerne la masse annuelle produite par ces diff´erentes param´etrisations, les valeurs sont comprises entre 3 et 70 Pg an−1 pour les particules dont le diam`etre est inf´erieur `
a 10 µm. Il existe donc plus d’un ordre de grandeur de diff´erence entre deux param´etrisations pour les mˆemes conditions m´et´eorologiques (Fig. 1.2).