6.5 Tests de sensibilité à plus large résolution
6.5.1 Simulation de référence : Resol3D
• Au cours de l’éruption
Le premier résultat que l’on observe au début de la simulation "Resol3D" est la présence de BrO durant l’éruption (cf. figure 6.46) comme dans le cas de la simulation "Ref3D". Les valeurs sont plus faibles sur la simulation "Resol3D" que la simulation "Ref3D" mais c’est un résultat attendu, car une maille plus large a tendance à diluer les concentrations des espèces chimiques. Il existe un rapport de 16 entre les deux surfaces de maille, qui correspond à la dilution des espèces dans la maille 2˚× 2˚. Dans le cas de réactions chimiques et d’un trans- port qui agissent linéairement dans le modèle, on devrait retrouver ce facteur sur les valeurs par unité de surface ou de volume de BrO. Mais l’évolution des espèces chimiques n’est pas linéaire. À 15h UTC, les quantités de la colonne troposphérique de BrO sur la maille 37˚N et 15˚E de "Resol3D" calculées en faisant la différence entre "Resol3D" et "Resol3DSimple" pour
n’obtenir que la trace du panache (1.56×1012 molécules.cm−2) sont inférieures à la valeur de
la maille 37.75˚N et 15.25˚E de "Ref3D" obtenue de la même manière avec "Ref3DSimple"
(2.99×1013 molécules.cm−2) avec le facteur 16 : 2.49 ×1013 molécules.cm−2 (les deux mailles
sont celles qui contiennent le maximum du flux de l’éruption). Et au cours de l’éruption, les valeurs de cette maille restent toujours inférieures aux valeurs de "Ref3D" diluées 16 fois. On peut en conclure que la production est plus faible dans une grande maille.
Le rapport HBr/HCl, lors de cette simulation est compris entre 5×10−5 et 9.5×10−5 du-
rant l’éruption sur la principale maille qui contient les émissions (15˚E et 37˚N). Cette maille présente le plus fort rapport HBr/HCl. Il est moins variable que pour la simulation "Ref3D"
dont le rapport variait entre 1.0×10−5 et 1.5×10−4 sur les deux principales mailles de l’émis-
sion, mais les rapports restent dans le même ordre de grandeur. Ainsi pour la résolution 2˚× 2˚comme pour la résolution 0.5˚× 0.5˚, les réactions hétérogènes favorisent moins nettement celles impliquant HBr que lors des simulations en 1D.
Les rapports BrO/SO2 de la simulation "Resol3D" augmentent jusqu’à 16h UTC puis dimi-
nuent (cf. tableau 6.5). Cette variation de l’efficacité de la production de BrO, à 17h UTC, est
associée à la diminution de Br qui produit BrO via O3 (cf. figure 6.47). Mais malgré la réduc-
tion du rapport BrO/SO2, BrO continue d’augmenter à 17h UTC. Ce n’est qu’à 18h UTC que
BrO diminue et ce comportement peut s’expliquer par l’influence de la nuit qui est anticipée
(a) le 10/05 à 15h UTC (b) le 10/05 à 15h UTC
(c) le 10/05 à 16h UTC (d) le 10/05 à 16h UTC
Figure 6.46 – Colonnes troposphériques de BrO, en molécules.cm−2. Les figures 6.46a et 6.46c sont les
cartes de différences entre les simulations "Ref3D" et "Ref3DSimple". Les figures 6.46b et 6.46d sont les cartes de différences entre les simulations "Resol3D" et "Resol3DSimple".
pour la simulation "Resol3D" que pour la simulation "Ref3D", cela suppose que l’efficacité de la bromine-explosion est plus importante pour la résolution 2˚× 2˚. Cependant les valeurs
des colonnes troposphériques de BrO et de SO2 restent nettement plus faibles que pour la
résolution 0.5˚× 0.5˚. Une raison qui explique cette différence entre les deux résolutions est la répartition des émissions sur les mailles voisines. En effet, le modèle MOCAGE répartit les espèces chimiques émises par le volcan sur 16 mailles autour du cratère en fonction du vent. Selon la résolution, le vent est différent et n’entraîne pas la même répartition. Une autre raison peut venir des valeurs de fond des espèces oxydantes nécessaires au cycle de bromine-explosion. En supposant qu’un nombre identique de molécules est injecté par l’éruption dans une seule maille, les espèces oxydantes de fond ne seront pas présentes dans les mêmes proportions entre une résolution de 2˚× 2˚et une résolution de 0.5˚× 0.5˚en tenant compte de la dilution des émissions dans chacune des mailles.
Date Rapport moyen BrO/SO2 Minimum Maximum
15h 10/05 2.65× 10−4 1.62× 10−4 4.35× 10−4
16h 10/05 2.94× 10−4 1.07× 10−4 5.85× 10−4
17h 10/05 2.09× 10−4 1.28× 10−4 2.93× 10−4
18h 10/05 9.33× 10−5 4.20× 10−5 1.46× 10−4
Tableau 6.5 – Rapports BrO/SO2 moyennés d’après les colonnes troposphériques en
molécules.cm−2. Rapports calculés pour la simulation "Resol3D" dans la région contenant le
panache volcanique, avec la même méthode que pour "Ref3D".
Figure 6.47 – Profils verticaux de BrO et Br, le 10/05 à 15h UTC, 16h UTC, 17h UTC, 18h UTC et 19h
UTC, lors de la simulation "Resol3D" sur la maille 15˚E et 37˚N. Les valeurs sont en rapport de mélange.
Sur les cartes des colonnes troposphériques de BrO de la figure 6.46, on peut voir que la direction de dispersion du panache est sensiblement la même entre "Resol3D" et Ref3D". Le transport agit en direction du Nord de la localisation du cratère (37.75˚N et 15˚E) pour les deux résolutions. Cependant, le transport, calculé pour la résolution 2˚× 2˚, entraîne le pa- nache vers l’Est de la Sicile plus rapidement et sur une zone plus grande que dans le cas de la simulation "Ref3D". Le processus de dispersion du panache sur une région de 16 mailles contenant la maille d’émission est aussi appliqué pour cette résolution plus large, provoquant ainsi un étalement plus important.
De manière similaire à "Ref3D", dans "Resol3D" la formation de BrO est accompagnée de la
formation de HOBr et BrONO2par les réactions R44 et R45 (cf. figures 6.48 et 6.49). La présence
de ces deux espèces bromées est la conséquence de l’efficacité du cycle de bromine-explosion. À
18h UTC les colonnes troposphériques de HOBr diminuent comme pour BrO, alors que BrONO2
La réduction des photolyses entraîne la réduction de HO2 et par conséquence la réaction R44
est moins efficace pour réintroduire HOBr dans le cycle de bromine-explosion. Ainsi, la réaction hétérogène R46a agit moins fortement malgré l’émission de HBr encore effective à 18h UTC.
Par contre, la réaction R45 agit toujours car NO2 augmente la nuit pour devenir le réservoir
de la famille NOx. BrO participe donc à la production de BrONO2 et en parallèle la réaction
hétérogène R46a le produit moins. Le comportement de "Resol3D" pendant l’éruption est donc cohérent avec celui de "Ref3D".
Figure 6.48 –Colonnes troposphériques de la différence entre "Resol3D" et "Resol3DSimple" pour BrONO2,
• La nuit à la suite de l’éruption
La nuit et avec la fin de l’émission, la partition des espèces bromées est en faveur de BrCl, de manière identique entre "Resol3D" et "Ref3D". En effet, HBr n’est plus émis à partir de 18h15 UTC. Les réactions hétérogènes R46a et R47a continuent tant que HBr reste important, mais la nuit, sa production par l’intermédiaire de Br, n’a plus lieu. Ainsi les réactions hétérogènes impliquant HCl au lieu de HBr sont prépondérantes et produisent BrCl (cf. figure 6.50). La réaction de destruction de BrCl est sa photolyse qui n’intervient plus, ce qui provoque l’ac- cumulation des atomes de brome dans le BrCl tant que les rayons du soleil ne réapparaissent pas. BrO diminue aussi dans la simulation "Resol3D" comme dans la simulation "Ref3D". Cette
réduction de BrO entraîne aussi la réduction de BrONO2 et HOBr (cf. figures 6.51 et 6.52)
dont les seules réactions de production impliquent BrO.
Au cours de la nuit, le transport subi par BrCl est principalement à l’Est, sans se diriger vers le Sud comme on observe dans la simulation "Ref3D". De plus, à 01h UTC le 11/05, le panache étend son influence vers la longitude 25˚E, alors que dans la simulation "Ref3D" le panache s’arrête à la longitude 20˚E. Le panache commence à avoir un déplacement différent selon la résolution.
Figure 6.50 – Colonnes troposphériques de la différence entre "Resol3D" et "Resol3DSimple" pour BrCl, le
Figure 6.51 –Colonnes troposphériques de la différence entre "Resol3D" et "Resol3DSimple" pour BrONO2,
le 10 mai 2008 à 23h UTC et le 11 mai 2008 à 01h UTC.
Nom expé- rience
Date Nombre de molécules de
BrO
Région concernée par le panache
"Ref3D" 11/05/08 09h UTC 1.66×1028 95 mailles de 0.5˚× 0.5˚ "Ref3DSimple" 11/05/08 09h UTC 5.15×1027 95 mailles de 0.5˚× 0.5˚ "Resol3D" 11/05/08 09h UTC 3.63×1028 26 mailles de 2˚× 2˚ "Resol3DSimple" 11/05/08 09h UTC 2.58×1028 26 mailles de 2˚× 2˚
Tableau 6.6 – Nombre de molécules de BrO sur la région contenant le panache, avec un seuil
imposé de la même manière que pour le rapport BrO/SO2 : les valeurs supérieures à 10% du
maximum de SO2, sur la région étudiée, sont comptabilisées dans la somme pour ne conserver
que la contribution du panache.
• Les jours suivant l’éruption
Lorsque le jour revient, les atomes de brome sont à nouveau disponibles pour le cycle de bromine-explosion. Ils sont fournis principalement par la photolyse des espèces bromées, dont BrCl. Ainsi le cycle peut à nouveau former BrO. La production de BrO permet aussi de
réapprovisionner HOBr et BrONO2 tant que HO2 et NO2 sont présents, par les réactions R44
et R45, ce qui alimente aussi le cycle. BrCl diminue par sa photolyse ainsi que par la réduction de sa formation par les réactions hétérogènes.
Comme lors de l’éruption, le rapport BrO/SO2 obtenu par régression linéaire à 09h UTC
le 11/05 est supérieur à celui de "Ref3D" à la même heure (cf. figure 6.53 pour "Resol3D" et figure 6.23b pour "Ref3D). Cependant le rapport ne tient pas compte du nombre de molécules produites par le panache, il est juste un indicateur d’efficacité sans tenir compte des quantités de fond. À 9h UTC le 11/05, le nombre de molécules de BrO calculé de la même manière que
pour la simulation "Ref3D", donne pour "Resol3D" 3.63×1028 (cf. tableau 6.6). En soustrayant
les valeurs contenant la trace du panache à celles de fond, on obtient 1.14×1028 molécules de
BrO produites par la simulation "Ref3D" et 1.05 ×1028 molécules de BrO produites par la
simulation "Resol3D". Même si la simulation "Ref3D" a produit un peu plus de molécules, les valeurs sont similaires entre les deux résolutions. Ainsi, avec une résolution plus large, le schéma chimique semble agir de manière identique que pour une résolution plus fine. De plus, la zone impactée par le panache et définie par le seuil de 10% dans le calcul du nombre de molécules est comparable en taille pour les deux résolutions en tenant compte du rapport 4 qu’il existe entre les deux résolutions. 95 mailles en 0.5˚× 0.5˚équivaut à environ 24 mailles en 2˚× 2˚. À la date du 11/05 à 09h UTC, le panache couvre une surface équivalente entre les deux résolutions. Le transport de BrO se fait toujours vers l’Est (cf. figure 6.54). À la différence de "Ref3D", le panache ne descend pas aussi bas en latitude. Ceci est observé par exemple à 12h UTC, où le panache de BrO dans "Resol3D" est présent sur la Crète, alors que dans "Ref3D" le panache passe sous la Crète. Le panache est aussi plus étalé dans le cas de "Resol3D". Avec une large
Figure 6.53 – Diagramme de dispersion de BrO et SO2, avec leurs valeurs en colonnes troposphériques, en
molécules.cm−2, pour le 11/05 à 09h UTC. Le seuil sur SO2pour contenir la trace du panache est identique à celui
considéré pour "Ref3D", i.e. les valeurs supérieures à 10% de la valeur maximale de la colonne troposphérique de SO2.
résolution, le déplacement du panache impacte une plus grande région. Lorsqu’on compare à
"Ref3D", la simulation "Resol3D" subit sensiblement le même transport car le panache de SO2
se sépare aussi en deux, mais moins distinctement. Sur la figure 6.55 du 11/05 à 9h (date à laquelle la simulation "Ref3D" présente déjà une séparation du panache), les deux points en
vert n’ont pas le maximum de SO2 au même niveau de pression. Le profil vertical de ces deux
points, donné sur la figure 6.56, illustre un comportement qui tend vers celui de "Ref3D", c’est à dire que l’arrière du panache est présent sur des niveaux plus bas que l’avant du panache. Cependant, pour "Ref3D" il existe une vraie fracture entre les deux panaches formés au cours de la simulation. Pour "Resol3D", la localisation du panache est due à la diffusion au cours du transport. Ainsi, à l’inverse de "Ref3D", le panache reste dans les basses pressions, proche de la stratosphère. Sur les profils verticaux de BrO on peut voir que le panache atteint environ
250 hPa pour des valeurs d’environ 7×10−13 ppv. Le panache se rapproche de la limite de la
tropopause thermique, qui est située à environ 220 hPa à la longitude 29˚E et la latitude 37˚N.
La suite de la simulation "Resol3D" présente une dispersion du panache plus importante et
plus rapide que dans la simulation "Ref3D". Le 12/05 à 09h UTC, les profils de SO2 et BrO
ont été tracés pour les deux points représentés sur la figure 6.57. A cette date la séparation du panache est plus nette que le 11/05 à 09h UTC. Le panache est plus important vers les hautes pressions. Les quantités de BrO présentes dans la partie haute du panache proche de la stratosphère (51˚E et 35˚N) ont diminué fortement au bout d’un jour, pour se rapprocher des valeurs de fond similaires à la simulation "Resol3DSimple". Le 13/05 à 01h UTC le panache de
SO2 n’est quasiment plus visible. Pour BrO, le 13/05 à 09h UTC, au retour du jour, une trace
du panache est observée, mais les valeurs sont très faibles.
Ainsi, la résolution 2˚× 2˚présente un comportement chimique dans l’ensemble similaire à "Ref3D" et en particulier la production d’un nombre de molécules de BrO le jour suivant l’éruption. Les quantités émises par l’éruption sont diluées dans un volume plus grand, mais la formation de BrO est possible dans le panache dès les premiers instants de l’éruption. Les jours
Figure 6.54 – Colonnes troposphériques de la différence entre "Resol3D" et "Resol3DSimple" pour BrO, le 11 mai 2008 à 03h UTC, 06h UTC, 09h UTC et 12h UTC.
Figure 6.55 – Colonnes troposphériques de la différence entre "Resol3D" et "Resol3DSimple" pour SO2, le
11 mai 2008 à 09h UTC.
suivants BrO continue d’être produit et transporté. Mais la dilution agissant dans une maille de cette taille réduit plus rapidement les concentrations des espèces chimiques présentes dans le panache.
(a) Longitude : 23˚E, latitude : 37˚N (b) Longitude : 29˚E, latitude : 37˚N
(c) Longitude : 23˚E, latitude : 37˚N (d) Longitude : 29˚E, latitude : 37˚N
Figure 6.56 – Profils verticaux de SO2 et BrO, le 11/05 à 9h, pour deux points de maille identifiés sur la
figure 6.55 en vert.
(a) Longitude : 43˚E, latitude : 33˚N (b) Longitude : 51˚E, latitude : 35˚N
(c) Longitude : 43˚E, latitude : 33˚N (d) Longitude : 51˚E, latitude : 35˚N
Figure 6.58 –Profils verticaux de SO2et BrO, le 12/05 à 9h UTC, pour deux points de maille identifiés sur
Figure 6.59 – Colonnes troposphériques de la différence entre "Resol3D" et "Resol3DSimple" pour SO2 les
jours suivant l’éruption, en molécules.cm−2 : le 11/05 à 09h UTC, le 12/05 à 01h UTC et 09h UTC et le 13/05 ) 01h UTC et 09h UTC.