Propriétés optiques

Les propriétés optiques des particules d’aérosols, nommément les coefficients de diffusion (σ_sca) et d’absorption (σ_abs) de la lumière dans le cadre de la campagne été, sont utiles à plusieurs égards. Dans un premier temps, les mesures de diffusion permettent de vérifier la qualité des mesures de distribution en taille des particules d’aérosols. A l’aide de la théorie de Mie, il est possible d’estimer la diffusion qui serait générée à partir des distributions en taille (voir section 2.1.4) et ainsi de comparer cette estimation aux mesures du nephélomètre. Bien entendu, la méconnaissance de l’indice de réfraction ainsi que les résolutions temporelles des instruments conduisent parfois à des différences entre les calculs et les mesures.

Les séries temporelles de diffusion de la lumière permettent également de mettre en avant les passages où les concentrations en particules de gros diamètres sont les plus importantes. Nous avons vu précédemment que la diffusion d’une particule est proportionnelle au carré de son rayon (section efficace de diffusion dans la section

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Chapitre 5. Étude des aérosols pollués transportés vers le Groenland, impact du dépôt humide. 17:30 18:00 18:30 19:00 19:30 20:00 20:30⁰ 2 4 6 8 10 12 17:30 18:00 18:30 19:00 19:30 20:00 20:30 21:000 2 4 6 8 10 12

Coefficient de diffusion de la lumi•

re (Mm

-1)

Temps (UT) Temps (UT)

A 13 juillet

Nuages 12 juillet (PM) B

σ_sca mesurŽ σ_sca calculŽ

Nuages

Figure 5.12 – Coefficient de diffusion de la lumière mesuré et calculé pour les vols des 12 et 13 juillet de la campagne été. Les passages relatifs à des panaches de pollutions sont indiqués avec leurs couleurs respectives.

3.2.2.2), ainsi, les plus grosses particules dominent la diffusion mesurée. Deux séries temporelles des σ_sca mesurés à 450 nm, ainsi que ceux calculés (pour la même lon-gueur d’onde) depuis les spectres dimensionnels sont présentées dans la figure5.12. Il apparaît que les passages pollués sont généralement associés à des pics de diffusion, confirmant ainsi l’augmentation de concentration en particules. σsca calculé à partir du code de Mie représente bien les mesures (le coefficient de corrélation entre les deux séries temporelles sont 0,72 et 0,54 pour les 12 et 13 juillet, respectivement), la dispersion étant due principalement aux variations de l’indice de réfraction dans l’atmosphère alors qu’une valeur fixe (1,59) a été utilisée pour les calculs.

Par ailleurs, à partir des mesures de diffusion à différentes longueurs d’ondes, il est possible de déterminer deux paramètres qui caractérisent la distribution de particules d’aérosols : le coefficient Angstrom α est obtenu à l’aide de la relation suivante (Angstrom,1929) :

α = ^{log σsca,700 nm} log σsca,450 nm

log 700  log 450 ^(5.5)

La valeur de α permet de d’estimer qui, des particules fines (submicroniques) ou gros-sières (supermicroniques), domine la distribution. Ainsi, pour des valeurs de α ≤ 1, c’est le mode grossier (Dp > 1 µm) qui domine la distribution avec des particules d’origine par exemple marine ou désertique, alors que c’est le mode fin (D_p < 1 µm) qui domine si α ≥ 2 avec des particules issues de combustions qu’elles soient anthro-pique ou naturelles (feux). Dans le cas où α est compris entre 1 et 2, aucun mode ne domine la distribution (Dubovik et al.,2002).

5.3. Propriétés des panaches de pollution d’Amérique du nord 109

Le paramètre d’asymétrie g est lui obtenu par la relation suivante (Andrews et al., 2006) : g = −7.143889 · b³+ 7.464439 · b²− 3.96356 · b + 0.9893 (5.6) avec b = ^σbsca σsca (5.7) et où σbscacorrespond au coefficient de rétrodiffusion de la lumière par les particules, c’est donc la diffusion de la lumière relative aux angles compris entre 90 et 180˚. Le paramètre d’asymétrie peut varier entre 0 et 1 et donne une indication sur la taille des particules ainsi que sur leur forme. En effet, la valeur de g est influencée par le rapport entre les coefficients de rétrodiffusion et de diffusion. Si g prend une valeur proche de 1, cela correspond à b ≈ 0 et donc à une diffusion largement supérieure à la rétrodiffusion, s’apparentant à la diffusion de Mie. Cette configuration correspondra au cas des grosses particules qui diffusent (très) largement vers l’avant. En revanche, si g voit sa valeur tendre vers 0, on sera dans le cas où b prendra une valeur de 0.5 et donc que la rétrodiffusion égalera la diffusion avant (entre 0 et 90˚). Autrement dit, le régime Rayleigh dominera la diffusion. Les valeurs de b supérieures à 0.5 n’étant pas triviales et réservées à des particules aux formes « exotiques » leur permettant de diffuser plus de lumière en arrière qu’en avant, il est peu probable que g prenne une valeur inférieure à 0.

Comme nous avons pu le constater lors de l’étude des distributions en taille des particules, très peu d’entre elles se trouvaient dans le mode grossier. Ce résultat se retrouve dans les valeurs d’α et de g relatives aux passages de vol sélectionnés puisque le coefficient d’Angstrom ne descend jamais en dessous de 2, alors que g ne dépasse jamais 0,5. Tout comme il l’avait été lors de l’étude des distributions en taille des particules d’aérosols, ce résultat est surprenant du fait de l’âge des masses d’air rencontrées qui devraient donc avoir un α plus faible et un g plus élevé. Il permet néanmoins de confirmer l’absence de grandes concentrations en particules marines ou désertiques. En revanche, ces valeurs se retrouvent lorsque l’avion a échantillonné la couche limite océanique.

Le coefficient d’absorption de la lumière est relié à la partie absorbante des aéro-sols. En général, la partie absorbante correspond majoritairement au carbone suie même si chaque type de particules absorbe une partie de l’énergie. Du fait de la localisation des mesures, les quantités observées se révèlent très faibles. De plus, de la même façon que σ_sca, σ_abs est particulièrement influencé par les particules de gros diamètres, peu présentes dans l’atmosphère groenlandaise lors des mesures. Les va-leurs de σ_absobservées durant la campagne été sont donc en moyenne plus faibles que

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Chapitre 5. Étude des aérosols pollués transportés vers le Groenland, impact du dépôt humide. celles mesurées au printemps en Europe du nord et même fréquemment en dessous de la limite de détection et ne sont donc pas présentées ici.