Comparaison des modèles microphysiques EXMIX et DESCAM
2 Le problème de l’activation des particules d’aérosol
2.1 Problème inhérent au schéma d’activation de DESCAM
La figure 2.3 représente l’évolution en fonction du temps du nombre des gouttes et de l’humidité relative par rapport à l’eau à 3500 m d’altitude. On voit clairement l’effet de l’activation dans DESCAM. Entre t=660 et t= 686 s, le nombre des gouttes augmente progressivement dans les deux modèles. Tant que la couche reste sous-saturée, l’activation ne peut avoir lieu dans DESCAM. Des gouttes sont progressivement transportées depuis les couches inférieures vers la couche étudiée et leur nombre augmente régulièrement. A t=688 s, la saturation est atteinte dans la couche étudiée et l’activation des particules d’aérosol humides peut avoir lieu. Cela se traduit par une brutale augmentation du nombre des gouttes dans la couche (de 117 cm-3 à 280 cm-3).
Avec le modèle EXMIX, on voit seulement un changement dans la pente de la courbe du nombre des gouttes en fonction du temps (cf. Fig. 2.3b) quand l’humidité relative est supérieure à 100% et qu’elle augmente (i.e. pour les pas de temps t=688 s et t=690 s). A t=692 s, l’humidité relative est stabilisée et la pente du nombre en fonction du temps se radoucit pour EXMIX. L’augmentation du nombre est de nouveau principalement la conséquence du transport vertical. Lorsque le nombre de gouttes dans la couche est enfin stabilisé (autour de 740 s, cf. Fig. 2.3a), on constate que DESCAM a certes quelques gouttes de moins qu’EXMIX (376 cm-3 au lieu de 382 cm-3), mais la différence entre les deux modèles est finalement peu significative. La représentation de l’activation semble fonctionner correctement dans les basses couches. Voyons ce qu’il en est dans les altitudes plus élevées.
660 680 700 720 740 Time (s)
0 100 200 300 400 500
Nd (cm-3)
EXMIX DESCAM
0.45 0.55 0.65 0.75 0.85 0.95 1.05
Relative humidity (RH)
RH
Nd
682 684 686 688 690 692 694
Time (s) 50
100 150 200 250 300 350 400
Nd (cm-3)
EXMIX DESCAM
0.88 0.92 0.96 1 1.04
Relative humidity (RH)
Nd RH
Figure 2.3 : Nombre total des gouttes Nd et humidité relative (RH) en fonction du temps à 3.5 km d’altitude pour le modèle EXMIX (traits pointillés) et DESCAM (trait continu). La figure 2.3a couvre un intervalle de temps de t=660 s à t=740 s tandis que la figure 2.3b se concentre sur le passage de la sous- à la sursaturation (de t=682 s à t=694 s). La figure 2.3b correspond à la partie de la figure 2.3a en grisé.
a)
b)
1550 1600 1650 1700 1750 Time (s)
0 50 100 150 200
Nd (cm-3)
EXMIX DESCAM
DESCAM avec f(T)
1590 1600 1610 1620 1630 1640
Time (s) 0
50 100 150 200
Nd (cm-3)
EXMIX DESCAM
0.9 0.91 0.92 0.93 0.94 0.95 0.96 0.97 0.98 0.99 1 1.01
Relative humidity (RH)
100%
100.5%
Nd RH
10s
Figure 2.4 : a) Evolution du spectre des gouttes à 7.5 km d’altitude. Les résultats du modèle EXMIX sont tracés en pointillés, ceux du modèle DESCAM en trait continu. Le cas « DESCAM avec f(T) » est décrit au paragraphe 2.3. b) Zoom sur le passage de la sous- à la sursaturation. L’évolution de l’humidité relative a été ajoutée.
a)
b)
La figure 2.4a montre l’évolution du nombre des gouttes pour les modèles EXMIX et DESCAM à 7.5 km d’altitude. La figure 2.4b montre en plus du nombre des gouttes, l’évolution de l’humidité relative à 7.5 km entre 1590 et 1645 s. Par rapport à la figure 2.3b, la sursaturation atteint au maximum 0.8% contre 2% à 3.5 km. Entre 1600 s et 1620 s, on voit clairement l’augmentation brutale du nombre des gouttes dans DESCAM liée à l’activation des particules d’aérosol lorsque la sursaturation est atteinte. A ce moment, la courbe pour DESCAM se sépare nettement de celle correspondant à EXMIX et, vers 1750 s, on a à peu près 30% de gouttes en plus dans DESCAM par rapport à EXMIX. Le schéma d’activation de DESCAM conduit ainsi à des résultats assez différents en terme du nombre de gouttes produites dans les hautes altitudes. Une discussion sur l’origine de ce résultat et une proposition d’amélioration sera proposée aux paragraphes 2.2 et 2.3 suivants.
0.01 0.1 1 10
Rayon (µm) 0
50 100 150 200 250 300
dN/dlnr (cm-3)
h=7500 m, t=1620 s EXMIX DESCAM
DESCAM avec f(T)
Figure 2.5 : Spectres des particules d’aérosol humides et des gouttes à 7500 m d’altitude et après 27 minutes. Le spectre en pointillés est celui simulé par EXMIX, celui en trait plein, par DESCAM. Le cas « DESCAM avec f(T) » en rouge est décrit aux paragraphes 2.3 et 2.4.
Les spectres des particules d’aérosol humides et des gouttes à 7.5 km d’altitude après 27 minutes d’intégration sont tracés sur la figure 2.5. Pour les gouttes, on a bien le pic principal autour de 15-20 µm dans les deux modèles, mais pour les plus petites tailles (1-4 µm), les spectres sont très différents. Dans les résultats du modèle DESCAM, les particules d’aérosol qui ont été activées une dizaine de secondes auparavant sont clairement visibles : on a un pic très important juste au-dessus de 1 µm (qui correspond à
un nombre de gouttes de * ln (170 150)*0.1155 37
ln d r≈ + ≈
r d
dN cm-3 sur un total de 90
cm-3 !). Il n’y a pas d’équivalent dans les spectres simulés par le modèle EXMIX.
En ce qui concerne les spectres des particules d’aérosol humides, celui simulé par DESCAM s’arrête brutalement autour de 40 nm. Pour EXMIX, on a des particules d’aérosol humides en nombre important jusqu’à 50 nm, mais les classes entre 50 nm et 2 µm ne sont pas totalement vides à l’inverse de DESCAM. On dénombre même 38 particules d’aérosol humides par cm3 entre 50 nm et 2 µm, ce qui correspond au nombre de gouttes qui se trouvent dans les premières classes de la grille chez DESCAM.
Vu la conception différente des deux modèles, on peut raisonnablement faire l’hypothèse que les vitesses de croissance (qui sont calculées par le modèle EXMIX) des particules d’aérosol humides autour de 300-400 nm sont trop faibles pour qu’elles atteignent la taille de 1 µm pendant le pas de temps de 2 s. EXMIX conserve donc des particules dans la région 100 nm – 1 µm. Pour DESCAM, les choses sont différentes : l’activation des particules d’aérosol n’est fonction que de la sursaturation. Il n’y a pas de considération relative à la cinétique de croissance des particules d’aérosol humides dans la représentation de l’activation. Cependant, nous devons également tenir compte du fait que l’activation dans DESCAM connaît des résultats tout à fait satisfaisants près de la base du nuage. Pour expliquer les problèmes rencontrés dans les hautes altitudes nous faisons l’hypothèse suivante : les vitesses de croissance des particules d’aérosol sont fortement réduites lorsque la température est basse. Le paragraphe suivant est consacré à l’étude de l’influence de la température sur les vitesses de croissance afin de juger de la validité de cette hypothèse.