1.5 Propriétés des irrus
1.5.2 Propriétés mi rophysiques
Lesprin ipales propriétés mi rophysiques des irrus englobentla forme, la dimension
et l'orientation des ristaux de gla e omposant le nuage ainsi que leur quantité. La
température de l'atmosphère est un paramètre important qui in ue dire tement sur
la omposition mi rophysique. La taille moyenne des parti ules et le ontenu en gla e
augmentent lorsque l'altitude diminue et la température augmente omme illustré dans
Stephens et al. (1990). Dans une étude plus ré ente, Gayet et al. (2006) présentent une
estimation du ontenu en gla e des irrus en fon tion de la température. Au ours de la
ampagne INCA (INterhemispheri dieren es in Cirrus properties from Anthropogeni
emissions)lesauteursontobservédes irrusquimontrentdes ontenusengla equivarient
de 0.05
mg.m
−3
à 18
mg.m
−3
, un oe ient d'extin tion qui varie de 0.08
km
−1
à 0.70
km−1
, une on entration de parti ules de gla e quivarie de 0.5
cm
−3
à2.2
cm
−3
selon la
lesobservationsetlessimulationsdu ontenuengla eenfon tiondelatempérature.Dans
ette étude l'ensemblede données est obtenuà partir de dix-sept ampagnes (environ94
h de mesures), menées dans les quinze dernières années, en Europe, Australie, au Brésil
ainsi qu'en Amérique du Nord et du Sud. Dans ette étude, les auteurs ont diéren ié
entre deux types de irrusselon lemode de formation des ristaux (à partir d'une phase
gazeuse ou liquide). Les irrus formés dire tement à partir de la phase gazeuse sont en
général plus ns ave un ontenu en gla e faible. Par ontre, les irrus formés à partir
d'une phase liquide sont plus épais ave un ontenu en gla e plus élevé.
Forme des ristaux de gla e
La formedes parti ules du nuage ontr le leurs propriétés diusantes, etpar onséquent
laquantitéde lumièreré é hieettransmiseparlenuage.Lastru tureglobaledes ristaux
de gla eest hexagonale, dueàlastru ture molé ulairedelagla e.Lesparti ules de gla e
les plus fréquentes dans les irrus ont la forme de olonnes, plaquettes, dendrites, bullet
rosette... À titre d'exemple, les études de Korolev et al. (2000), qui avaient pour but
d'étudier la fréquen e d'apparition des diérentes formes de parti ules de gla e dans les
nuages, ont montré que la majorité des parti ules de gla e ont des formes irrégulières
et de dendrite, et que la fréquen e d'apparition de la forme irrégulière diminue ave
l'augmentation de la taille des parti ules. D'après l'étude de Lawson et al. (2006), les
mesures CPI ( loud parti le imager) montrent que les ristaux de gla e (> 50
µ
m) omposantles irrusayant une formede rosette onstituent plus de 50%de lasurfa e etde la masse des ristaux. Environ40 % de lamasse restante des ristaux de gla e (> 50
µ
m)a une formeirrégulière, etquelques %ont une formede olonneou sphéroïdale.L'étudemenéeparNoeletal.(2006)montre uneforterelationentre laformedes ristaux
de gla e et la température. Dans leur travail, Noel et al. (2006) étudient la forme des
ristauxpourlesnuagesdegla eauxmoyenneslatitudesàpartirdesmesureslidarsurune
périodede3ans.Cettepériode orrespondà332joursd'observationsdesnuagesde gla e.
La te hnique onsiste à ombiner une méthode de simulation ave la mesure du rapport
de dépolarisation d'un lidar. Ce dernier est le rapport entre les signaux rétrodiusés
la forme des ristaux est reliée aux paramètres météorologiques (température, humidité
relative, vitesse et dire tion de vent). Les résultats obtenus dans ette étude montrent
queles ristauxontune formeplatepourune températuresupérieureà-20C, uneforme
irrégulière pour une température entre -40 et -60C et une forme de olonne pour une
température inférieure à -60C. Ces résultats montrent aussi que les nuages de gla e qui
se forment à partir de jet-streams sont généralement omposés de ristaux en forme de
olonne,tandisque eux quiseformentàpartird'unfrontsontmajoritairement omposés
de ristaux de formes très variables.
Taille des ristaux de gla e
Unnuagedegla epeutêtre onstituéde ristauxdeformestrèsdiérentesmaiségalement
de tailles qui peuvent varier de la base au sommet. Les ristaux de gla e ont une taille
qui peut aller de quelques
µ
mjusqu'au mm(plus de 1.2mm)(Krupp,1991). Lesmesures ee tués durant l'étude faite par Lawson et al. (2006) montrent que les distributions entaille des parti ules des irrus aux moyennes latitudes sont prin ipalement bimodales,
présentant un maximum en nombre de on entration pro he de 30
µ
m et un autre maximum pro he de 200300µ
m.Il n'existe pas de distribution en taille des parti ules qui peut être généralisée à tous
les nuages de gla e (Donovan (2003),Ivanova et al. (2001)).En pratique, la distribution
en taillepeut être paramétréesous la formed'unedistribution gamma(Heyms eld etal.
(2002), Mit hell(1991)) :
n(D) = N0Dµe−λD,
(1.1)où
D
est la dimension maximale des parti ules,n(D)
est la on entration de parti ules par unitéde volume,N0
,µ
etλ
lesparamètresempiriquesd'é helle,de formeetde pente respe tivement.Il est di ile de quanti er lataillede parti ules non sphériques. Le rayon ee tifest une
grandeursouventutilisée arilpermetdefairelelienentrelespropriétésmi rophysiqueset
lespropriétésradiatives.Ilestdé ni ommelerapportduvolumesondésurl'aireprojetée
des parti ules. Il est don proportionnel au rapport du ontenu en gla e sur l'extin tion
par Mit hellet al.(2008)quia été orientée vers l'étude des petits ristauxde gla e (D <
60
µ
m)dans lesmodèles limatiquesselon lesdistributionsen tailledes parti ules. Cette étude a montré que lorsque les on entrations des ristaux sont relativement élevées, lemodèle limatique prévoitune augmentation de 12 % du montantde lagla e des nuages
et une augmentation globalede 5.5%de la ouverture nuageuse des irrus.
La dé nition et la signi ation du rayon ee tif des ristaux omposant les nuages de
gla e restent toutefois omplexes ar le rayon ee tif ne représente pas une propriété
physique dire tement mesurable. La valeur du rayonee tif des parti ules de gla e varie
généralement de 20 à 120
µ
m, ave une forte variabilité verti ale (M Farquhar and Heyms eld, 1998). D'après Gayet et al. (2006) le diamètre ee tif est ompris entre 80µ
met 17µ
m,basé sur des mesures insitu dans les irrus de moyennes latitudes.La gure 1.8présente ladistribution du rayonee tif des ristaux de gla e, noté i i
Dge
, pourdiérentesgammesdetempératuresetpour 1000heuresd'observationee tuéessurlesite ARM(Atmospheri RadiationMeasurement)SGP(SouthernGreatPlains)durant
la période 1996-2000 (Wang and Sassen, 2002). Nous remarquons que les parti ules ont
une taille qui varie entre 10 et 150
µ
m en fon tion de la température et que les petites parti ules (Dge
<50µ
m) ont des fréquen es d'o urren e élevées pour les irrus les plus froids.Figure 1.8 Distribution du rayon ee tif des ristaux de gla e pour
Diérentes ampagnes in-situ ont été menées pour étudier la distribution en taille
des ristaux de gla e, par exemple : ICE (International CloudExperiment, Fran is etal.
(1994)); CEPEX (Central Equatorial Pa i Experiment, M Farquhar and Heyms eld
(1996)); FIRE (First ISCCP Regional Experiment, trois ampagnes entre 1984 et 1994,
Cox et al. (1987), Kinne et al. (1997)); FRENCH (Field Radiation Experiment on
Natural Cirrus and High-level louds Brogniez etal. (2004)); CIRCLE-2 (CIrrus CLoud
Experiment,Mio heetal.(2010),Gayetetal.(2011)).La gure1.9montreuné hantillon
de ristaux de gla e en fon tion de la température, olle tédurant la ampagne FIREII
(Heyms eld and Iaquinta, 2000). Ces mesures ont été réalisées à partir d'un répli ateur
de ristaux de gla e Formvar (Miloshevi h and Heyms eld, 1996) situé sous un ballon
sonde le25novembre 1991au-dessus du site deCoeyville,Kansas.Lesexpérien es de la
ampagne FIRE II on rment quela taillemoyenne des parti ules et le ontenuen gla e
augmentent lorsque l'altitudediminue et la température augmente. La gure 1.9montre
que ladistributionen tailledes parti ules est moins largeausommetdu nuage (lamoitié
des parti ules ont une taille inférieure à 150
µm
) et s'élargit au niveau de la base. Bien que les ristauxsoient plus gros à la base du nuage, leur stru ture reste majoritairementhexagonale (stru ture ristalline de l'eau à l'équilibre).
Figure 1.9 Exemple de tailles et de formes de ristaux de gla e dans un