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Thèse de doctorat/ PhD Thesis Citation APA:

R'Honi, Y. (2014). Etude de la chimie et du transport d'espèces réactives dans les panaches de feux à l'aide du sondeur IASI (Unpublished doctoral dissertation). Université libre de Bruxelles, Faculté des Sciences – Chimie, Bruxelles.

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D 03967

^ersité Libre de Bruxelles

ULB

Faculté des Sciences

Département de Chimie

Service de Chimie Quantique et Photophysique

Etude de la chimie et du transport d’espèces réactives

dans les panaches de feux à l’aide du sondeur lASl

-Remerciements

À l’issue de la rédaction de cette recherche, je suis convaincue que la thèse est loin d’être un travail solitaire. En effet, je n’aurais jamais pu réaliser ce travail doctoral sans l’appui d’un grand nombre de personnes dont la généro­ sité, la bonne humeur et l’intérêt manifesté à l’égard de ma recherche m’ont permis de progresser dans cette phase délicate de «l’apprenti chercheur». Je tiens donc à remercier tous ceux qui ont contribué de près ou de loin à la réa­ lisation de ce travail de thèse. La première place de gratitude revient à mon promoteur. Professeur Pierre-François Coheur, que l’on surnomme "Piet". Les mots sont faibles pour décrire son soutien tout au long de ces quatre années de recherche doctorale. Tout d’abord, merci de m’avoir accueillie au sein du ser­ vice de chimie quantique et photophysique et pour avoir accepté de diriger ma thèse. Merci pour tes conseils pertinents qui m’ont aidée à mener à bien mon travail de thèse, pour tes corrections et tes encouragements, pour toutes les dis­ cussions scientifiques grâce auxquelles j’ai beaucoup appris, pour ton soutien même durant des moments de doute et de faiblesse, pour toutes les réunions de groupe qui nous ont permis à la fois de se mettre sous pression mais surtout d’accepter les avis des autres et d’aller de l’avant.

Le soutien de Piet a été tout bonnement exceptionnel ! Grâce à lui, je retire de ces quatre ans une expérience qui, à la fois sur le plan intellectuel et sur le plan humain, a été un véritable plaisir.

Un tout grand merci à Cathy Clerbaux pour avoir codirigé mon travail de thèse malgré son horaire très chargé. Merci pour ta disponibilité et tes conseils toujours pertinents sur l’évolution des travaux.

Je voudmis également remercier en « pôle position » Lieven Clarisse ; son soutien a été des plus forts. Sans sës idées brillantes et sa maîtrise des aspects théoriques et techniques, la réalisation de ce travail aurait tout bonnement été impossible. Merci pour ta grande disponibilité, même les week-ends et les jours fériés. Ton esprit de battant a été pour moi un exemple et une grande source d’inspiration. Merci également pour ton soutien moral, car derrière la carrure du grand chercheur se cache un grand homme. Un grand merci également à Daniel Hurtmans pour avoir mis en place tous les outils techniques à notre disposition, entre autres, les logiciels d’inversion Atmosphit et FORLl. Mal­ gré ta personnalité très réservée, j’ai beaucoup apprécié toutes nos discussions scientifiques mais aussi celles concernant tous tes voyages !

Toujours parmi les contributeurs à ce travail doctoral, je me dois de citer le Professeur Solène Turquety. Merci de m’avoir accueillie au sein du Laboratoire de Météorologie Dynamique (LMD) de l’école polytechnique de Paris (UPMC, Paris) pour le lancement du modèle de chimie-transport CHIMERE. Je te re­ mercie pour toutes nos discussions scientifiques et ton aide qui m ’ont permis de me plonger dans la simulation numérique. Le petit stage d’initiation, dirigé par Dmitry Khvorostyanov, a été très court mais très instructif. Je n’oublie pas les contributeurs au code CHIMERE, Palmira Messina et Laurent Menut.

Je remercie également tous les membres du jury pour avoir accepté d’en faire partie : Cécile Moucheron (président du jury), Jean Vander Auwera (se­

crétaire du jury), Emmanuel Mahièu du GIRPAS (AGO, ULg) et Hervé Herbin (LOA, Université Lille 1).

Remerciements

Je remercie également chaleureusement toutes et tous les scientifiques avec lesquels il m’a été possible de discuter des problèmes abordés dans cette thèse : Jexin Vander Auwera et Cécile Moucheron, membres de mon comité d’accompa­ gnement ainsi que Nathalie Vaeck, Michel Godefroid, Michel Herman et Jacky Lievin, membres du service de chimie quantique et photophysique.

Je tiens également à remercier tous les membres du groupe lASI/LATMOS, ceux de Bruxelles mais aussi de Paris. Tout d’abord, je remercie mes collègues de bureau avec qui j’ai partagé la majeure partie de mes journées tout au long de ces quatre années de thèse. Merci à Jean-Lionel Lacour qui m’a beaucoup aidé, en particulier au début de ma thèse, à décrypter tous les codes sur le transfert radiatif, et à qui j’adresse mes excuses pour mes questions parfois répétitives ! Martin Van Damme a été l ’élément incontournable de notre bureau de par son énergie débordante et sa joie de vivre. Sophie, que l’on appelle « la ptite » du fait qu’elle ait été la dernière à rejoindre notre bureau, a été et reste une véritable amie, une vraie battante et une très bonne danseuse. Te rencontrer a été un vrai plaisir. Merci pour ton aide, pour ta relecture, pour ton écoute et pour tous les moments de plaisir qu’on a partagés ensemble. Le chemin est encore long et l’aventure ne s’arrêtera pas à la fin de ma thèse! Merci aux autres atmosphéristes de l’Université Libre de Bruxelles : Yasmine Ngadi, Stamatia Doniki, Catherine Wespes, Valentin Duflot, Simon Whitburn, et Rosa Astoreca, qui ont également contribué à ce travail de thèse. Un grand merci aux membres du LATMOS, une mention particulière à Sarah Saffiedine et Mathieu Pommier, mais aussi à Maya George, Charlotte Oudot, et Juliette Hadji-Lazaro.

Merci pour la relecture et toutes vos corrections, Piet, Cathy, Sophie et Stéphane.

J’en viens à mes soutiens moraux, qui furent très nombreux. Il me faut tout d’abord remercier mon cher mari et mes adorables parents qui ont tou­ jours été là pour moi. Comment vous remercier mes chères amies (Mouna et

Liste des Figures... ... xi

Liste des Tableaux... ... xv

RÉSUMÉ... ; ... 1

INTRODUCTION GÉNÉRALE... 3

1. Contexte général ... 3

2. Composition et chimie des panaches de feux... 4

3. Motivation et plan de thèse ... 5

I. L’ATMOSPHÈRE TERRESTRE... 9

1. De l’atmosphère primitive à l’atmosphère actuelle... 9

2. Composition et structure verticale de l’atmosphère... 11

2.1. Composition ... 11

2.2. Structure verticale... 12

2.2.1. Profil vertical de température...13

2.2.2. Profil vertical de densité... 15

3. Circulation générale dans la troposphère... 16

4. Transport et durée de vie des composés atmosphériques...18

4.1. Temps caractéristique du transport dans la troposphère . 18 4.2. Durée de vie dans la troposphère... 19

II. LES FEUX DE VEGETATION... 25

Table des matières

2. Couverture globale de la végétation... 26

3. Distribution et saisonnalité des feux... 34

3.1. Distribution spatiale... 34

3.1.1. Feux actifs ... 35

3.1.2. Surface brûlée... 36

3.1.3. Mesure des panaches par CALIPSO ... 40

3.2. Variabilité saisonnière ...41

4. Gaz en trace et particules émis par les feux...44

4.1. Composés gazeux... 45

4.1.1. Les hydrocarbures... 45

4.1.2. Les composés organicjues volatils oxygénés ... 46

4.1.3. Composés hétérocycliques...47

4.1.4. Les composés azotés... 48

4.2. Les composés particulaires... 50

5. Les inventaires d’émissions... 52

5.1. Calcul des émissions... 54

5.2. Contribution annuelle des feux aux émissions...57

5.3. Variations interannuelles des émissions... 59

5.4. Variabilité des émissions selon le type de végétation et de combustion...61

5.5. Sources d’erreurs dans l’estimation des émissions... 61

6. Impact des feux de biomasse... 63

6.1. Impact sur la chimie atmosphérique...64

6.2. Impacts sur la qualité de l’air... 64

6.3. Impacts sur le climat... 65

7. Résumé...66

III. TRANSFERT RADIATIF ET METHODES INVERSES ... 67

1. Le transfert radiatif...68

1.1. Rotation-vibration dans l’infrarouge... 69

1.1.1. Transitions rovibrationnelles...69

1.1.2. Paramètres de raies... 72

1.2. La radiance monochromatique... 73

1.2.1. Le rayonnement d’un corps noir... 73

1.2.2. Le rayonnement d’un corps gris... 74

1.2.3. Température de brillance ...75

1.3. Équation du transfert radiatif... 76

1.3.1. Formulation générale... 76

1.3.2. Équation du transfert dans une atmosphère dis­ crète ... 77

1.4. Les spectres atmosphériques dans l’IR ...80

2. La mission lASI/MetOp...82

2.1. Le satellite MetOp...82

2.2. L’instrument lASI ...84

3. Les méthodes inverses . ...86

3.1. Le logiciel Atmosphit... 87

3.2. Le logiciel FORLI...88

3.3. Différence de température de brillance...88

3.4. La méthode HRI ... 90

4. Avancées de lASI ... 92

5. Le sondage des feux par lASI ... 92

IV. LE MODÈLE CHIMERE. ... 97

1. Principe et applications de CHIMERE... 98

2. Le pré-processing ... 99

2.1. Le domaine d’analyse... 99

2.2. Les émissions . ;... 101

2.3. Les données météorologiques...103

2.4. Les conditions aux limites... 105

2.5. Les processus chimiques... 105

2.6. Les données de surface...106

Table des matières

V. ÉTUDE LOCALE...109

1 d-ps - P“* ÏASÎ... 110

1.1. Espèces habituellement observées... 113

1.2. Gaz en trace...113

2. Première étude de cas : Feux d’Australie - février 2009 ... 119

2.1. Description de l’évènement... 119

2.2. Étendue et transport du panache...122

2.3. Transport et hauteur d’injection... 124

2.4. Impact des aérosols sur les observations... 135

2.5. Restitution des concentrations...136

2.5.1. Méthode appliquée aux 7 et 8 février... 139

2.5.2. Méthode appliquée aux jours ultérieurs...140

2.5.3. Distributions spatiales des colonnes...140

2.6. Masses totales...146

2.7. Rapports d’enrichissement...151

2.8. Analyse comparative avec les simulations CHIMERE . . 156

2.8.1. Pré-processing...156

2.8.2. Discussion... 158

3. Seconde étude de cas : Feux de Russie - été 2010... 164

3.1. Distributions et évolution temporelle...166

3.1.1. Colonnes totales utilisées... 166

3.1.2. Distributions spatiales... 170

3.1.3. Évolution temporelle...172

3.2. Rapports d’enrichissement...174

3.3. Masses totales et flux d’émission... 177

VI. ÉTUDE GLOBALE... 185

1. Distribution globale des feux... 186

2. Évolution temporelle des rapports d’enrichissement...191

CONCLUSION GÉNÉRALE ET PERSPECTIVES...195

ANNEXES... 199

1. Climatogramme ... 199

2. Émissions de l’inventaire GFED... 201

3. Méthode d’Estimation Optimale... 204

4. Mécanisme réduit de MELCHIOR...207

Liste des Figures

Chapitre I... 9

1.1 Structure verticale de l’atmosphère... 14

1.2 Circulation Générale de la troposphère... 17

1.3 Temps caractéristique de transport dans la troposphère...20

1.4 Schéma d’un modèle atmosphérique à une boîte...21

1.5 Temps de résidence dans l’atmosphère ... 22

Chapitre II... 25

2.1 Exemple d’une carte globale des NDVI- MODIS... 29

2.2 Classification de la végétation globale par GLDAS...32

2.3 Exemple d’une carte globale des points chauds par MODIS ... 37

2.4 Estimation de la surface brûlée par MODIS ...39

2.5 Variabilité saisonnière des feux de végétation...42

2.6 Évaluation de la durée de vie du PAN avec l’altitude... 50

2.7 Distribution spatiale des aérosols émis par les feux de Russie . . 51

2.8 Distribution globale des flux de CO de 1997 à 2011, GFED ... 53

2.9 Variation interannuelle des émissions globales, GFED... 60

2.10 Émissions globales des gaz selon 4 types de végétations, GFED . 62 Chapitre III... 67

3.1 Les i)rincipaux domaines du spectre électromagnéticiue... 69

3.2 Angle solide...70

3.3 Spectre rovibrationnel de CO...74

3.4 Spectres de radiance du corps noir à différentes températures . . 75

3.5 Transfert radiatif dans un élément de surface...77

3.6 Spectre d’absorption mesuré par lASI... 81

3.7 Le satellite MetOp . . . ... 84

3.8 Le balayage de l’instrument lASI...86

3.9 Le bruit radiométrique de lASI ...87

3.10 Profils a priori utilisés pour CO et NH3 dans FORLI ... 89

3.11 Distributions spatiales de NH3 en ABT, feux de Grèce de 2007 . 91 3.12 Distributions des colonnes de SO2 et CO dans la couche limite, Norilsk et Chine... 93

3.13 Évolution temporelle des rapports d’enrichissement de quelques gaz, feux de Grèce de 2007 ... ... . 94

Chapitre IV... »... 97

4.1 La structure générale du modèle CHIMERE... 100

4.2 Exemples de domaines horizontaux dans CHIMERE... 102

4.3 Discrétisation verticale dans CHIMERE ... 102

4.4 Exemple d’un domaine de simulation CHIMERE couvert par la météo... 106

Chapitre V... 109

5.1 Exemples d’ajustement d’un spectre lASI... 111

5.2 Observations de 12 gaz dans les spectres lASI...114

5.3 Historique des gaz détectés par le sondage infrarouge au nadir . 120 5.4 Observation de MODIS dés feux du samedi noir... 121

5.5 Panaches AM et PM de CO dans les feux du samedi noir .... 123

5.6 Colonnes totales de CO, intégrées du 07 au 11 février 2009 . . . 125

5.7 Trajectoires inverses calculées à partir du 09 et 15 février 2009 . 126 5.8 Trajectoires inverses calculées à partir du 10 février 2009 .... 127

5.9 Panaches de CO du 07 AM/PM + TYace de CALIPSO... 128

Liste des Figures

5.11 Même chose que sur la fig. 5.9, pour le 09 AM/PM...130

5.12 Même chose que sur la fie. 5.9, pour le 10 AM/PM ... 131

5.13 Observations du panache de feux du 07 au 11 février 2009 . . . 133

5.14 Distributions spatiales des colonnes totales et du profil vertical de CO du 10 AM...134

5.15 Variation de la hauteur des panaches avec le temps... 135

5.16 Impacts des aérosols sur les observations lASI... 136

5.17 Cartographie de HONO dans les panaches du 07 AM/PM . . . .137

5.18 Même chose que sur la fig. 5.17, pour C4H4O... 137

5.19 Même chose que sur la fig. 5.17, pour HCN...138

5.20 Même chose que sur la fig. 5.17, pour C2H2...138

5.21 Corrélations entre les colonnes totales et les HRI...141

5.22 Figure 5.21- Suite... 142

5.23 Distributions spatiales des c;olonnes de quelques gaz, feux du "samedi noir" ... 144

5.24 Distribution spatiale des colonnes totales de NHg sans et avec ajustement des aérosols dans le trasfert radiatif... 145

5.25 Évolution temporelle des masses totales, feux du "samedi noir" . 147 5.26 Les régions utilisées pour l’estimation des masses totales .... 150

5.27 Évolution temporelle des flux de CO par les 2 algorithmes de MODIS ... 158

5.28 Distribution spatiale des colonnes de CO par lASI et CHIMERE pour le 07 AM... 159

5.29 Même chose que sur la figure 5.28 pour le 07 PM ...160

5.30 Observations des feux de Rusisie de 2010 par MODIS... 165

5.31 Distribution des panaches des feux de Russie, du 5 août 2010 . . 167

5.32 Profil a priori de HCOOH ...168

5.33 Corrélations entre les colonnes totales de HCOOH issues de ABT et de l’OE... 169

5.34 Rapport entre les colonnes de HCOOH par l’EO et ABT .... 169

5.35 Observations des panaches de feux de Russie de 2010... 171

5.36 Évolution temporelle des colonnes totales de CO, NHg et HCOOH, feux de Russie de 2010 ... 173 5.37 Évolution temporelle des rapports d’enrichissement de NHg et

HCOOH, feux de Russie de 2010... 175 5.38 Évolution temporelle des masses totales de CO, NHg et HCOOH,

feux de Russie de 2010 ... 179

Chapitre VI...; ...185 6.1 Couverture globale des feux, NHg pris en exemple... 188 6.2 Couverture globale de la végétation fournie par AVHRR . . . .189 6.3 Distribution globale des rapports NHg/CO pour le 05 août 2010 190 6.4 Séries temporelles des rapports HCOOH/CO correspondant à

la combustion de la savane d’Afrique, pour 2010... 192 6.5 Séries temporelles des rapports HCOOH/CO au-dessus de dif­

férentes régions, pour l’année 2010... 193

Annexes... * ...199 A.l Climatogramme modifié dé Whittaker... 200 A.2 Matrices de corrélations et de variance-covariance associées au

Liste des Tableaux

Chapitre I... 9

1.1 Composition chimique de l’air sec en 1977 ... 12

1.2 Temps caractéristiciues de transport atmosphéricjue...20

Chapitre II... 25

2.1 Les instruments imageurs... 31

2.2 Les 20 classes de la végétation- MODIS... 33

2.3 Les canaux de MODIS pour la détection des anomalies thermiques 36 2.4 Les différents écosystèmes définis dans la littérature...57

2.5 Émissions globales de quelques gaz... 58

Chapitre III... 67

3.1 Émissivité de quelques surfaces ...75

3.2 Modes vibrationnels des espèces atmosphériques...83

3.3 Caractéristiques de l’instrument lASI... 85

3.4 Nombres d’ondes sélectionés pour le calcul des ABT...90

3.5 Intervalles spectraux de quelques gaz utilisés dans HRI... 94

Chapitre IV... 97

4.1 Liste des espèces inclues dans EMEP... 104

4.2 Les catégories SNAP... 104

Chapitre V... ...109 5.1 Paramètres ajustés pour les inversions effectuées...112 5.2 Heures locales du passage de lASI au-dessus du domaine où le

panache a été observé . ; ... 124 5.3 Facteurs de conversion utilisés pour les feux d’Australie de 2009 142 5.4 Les régions considérées pour l’estimation des masses totales . . . 149 5.5 Tableau comparatif des masses totales, feux du samedi noir . . . 149 5.6 AX/ACO dans le panache des feux d’Australie ...153 5.7 AX/AHCN dans le panache des feux d’Australie...155 5.8 Analyse comparative des colonnes totales entre les simulations

CHIMERE et lASI ... 163 5.9 Même chose que sur le tableau 5.8 pour les masses totales . . . 163 5.10 Même chose que sur le tableau 5.8 pour AX/CO...163 5.11 Paramètres d’ajustement de HCOOH, feux de Russie de 2010 . . 168 5.12 Analyse comparative des émissions des feux de Russie de 2010 . 183

Annexes... ;...199 . 201 . 201 . 202 . 202 . 202 . 203 . 207 A.l Émissions annuelles globales de quelques gaz entre 1997 et 2011,

-GFED ... A.2 Émissions annuelles globales de CO, entre 1997 et 2011, selon 4

Glossaire

AVHRR Advanced Very High Resolution Radiometer BAIM Biu'ned Area Index for MODIS

CALIPSO Cloud Aérosol Lidar and Infrarcd Patlifinder Satellite Obsei-vations CALIOP Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization

COVs Composés organiques volatils CTMs Chemistry Transport Models

DTB Différence des Température de Brillance EO Estimation Optimale

FORLI Fast Optimal Retrieval on Layers for lASI FTIR Fourier Transform Infrared spcctroscopy GFED Global Fire Emission Database

HRI Hyperspectral Range Index

Hysplit Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Tiajectory Model lASI Infrared Atmospheric Sounding Interferometer

MELCHIOR Modèle d’Etude Lagrangienne de la CHImie de l’Ozone à l’écludle Régionale MetOp Meteorological Operational satellite; progiainme

MODIS Moderate Resolution Iniaging Sjeectroradiometer NDVI Nonnalised Différence Végétation Index

RM S Root Mean Square;

RÉSUMÉ

Avec son échantillonnage spatial élevé, lASI (Interféromètre de sondage atmosphérique dans l’infrarouge) embarqué sur la plateforme MetOp, four­ nit 1.300.000 spectres par jour et une couverture globale bi-journalière. Cette spécificité du sondeur, qui offre la possibilité de suivre l’évolution des concen­ trations des espèces présentes en faible quantité dans l’atmosphère, est déter­ minante pour notre étude de la chimie dans les panaches de feux. Elle s’appuie sur les premières observations des feux par lASI, qui ont révélé la possibilité de mesurer, en plus du CO habituellement utilisé comme traceur, plusieurs espèces chimiquement actives dans les panaches, dont NH3 et divers compo­ sés organiques. Via une analyse approfondie des spectres, nous montrons dans notre travail qu’au total 24 espèces gazeuses sont détectées dans les spectres lASI, ce qui représente une avancée majeure dans la détection par les sondeurs infrarouges au nadir.

Ces observations inattendues ouvrent la voie à un examen approfondi de la réactivité dans les panaches, au cours de leur transport et en fonction des conditions météorologiques loc;ales. Nous nous sommes attachés à cette étude en ciblant principalement deux évènements intenses et isolés. Le premier évène­ ment est celui des feux d’Australie de Février 2009, qui était particulier de par la hauteur d’injection du panache (haute troposphère voire basse stratosphère) mais aussi suite à la forte quantité d’aérosols émise. Le second évènement est

celui des feux de Russie centrale de l’été 2010, qui se caractérisent par la durée de l’épisode (d’environ un mois) mais aussi par sa très large étendue.

Nous avons déterminé, pour le premier évènement, les masses totales d’une série d’espèces émises dans les panaches et nous les avons confrontées à celles issues du modèle de chimie-transport CHIMERE et à d’autres valeurs de la littérature. Nous montrons une évolution temporelle fortement différente pour les espèces plus réactives et supposons pour certains composés, dont HCOOH, une vraisemblable source secondaire au sein du panache.

Pour les feux en Russie, nous avons déterminé les rapports d’enrichissement AX/ACO (où X est l’espèce réactive), particulièrement utiles pour suivre la chimie. Nous les comparons aux valeurs publiées dans la littérature en fonction du type de végétation brûlée. Certains aspects de la réactivité dans le panache sont mis en évidence, notamment la formation secondaire de HCOOH. Nous avons également estimé les masses totales et les flux d’émission de chacune des 3 espèces émises (CO, NHg, et HCOOH), et les comparons à d’autres estimations publiées dans la littérature scientifique.

INTRODUCTION GÉNÉRALE

1.

Contexte général

Les feux de végétation, en émettant de grandes quantités de gaz et de parti­ cules dans l’atmosphère, constituent une source importante de pollution, ce qui implique des impacts tant au niveau local qu’au niveau global (voir pour plus de détails la section 6. du chapitre IL). Localement, les panaches diminuent la visibilité et altèrent la qualité de l’air. Ils modifient également le système à plus grande échelle car, lorsque les composés sont émis dans l’atmosphère, ils réagissent photochimiquement et sont transportés par les vents loin de leurs sources d’émission. À titre d’exemple, il a été démontré que les feux dans les régions boréales du Canada ou de l’Alaska, par exemple, en émettant des gaz (CO2, Cü, et autres composés organifiues) et des aérosols carbonés peuvent, selon la direction des vents, influencer les régions reculées de l’arctique ou, via la production d’ozone (O3) dans le panache, affecter la qualité de l’air dans les zones urbaines à l’échelle c'ontinentale. Globalement, les feux représentent également des acteurs importants et contribuent, directement ou non, à la modification du budget radiatif. Bien ciue des avancées scientificiues aient été réalisées au c;ours des dernières années sur l’observation globale des feux, de nombreuses incertitudes demeurent en ce c^ui concerne la composition des pa­

naches, les quantités de gaz et de particules émises, mais aussi sur la formation des produits secondaires. L’impact des feux sur la composition atmosphérique reste mal quantifié à différents points de vue. Ceci s’explique en grande partie par le manque de mesures précises des concentrations des composés émis, sur des échelles locales ou régionales. Les études scientifiques des dernières années se sont en effet majoritairement axées sur les mesures fournies par des ins­ truments spatiaux à large bande de la localisation des points chauds et dans une moindre mesure de la puissance radiative des feux. Des informations sur les émissions d’espèces gazeuses peuvent être obtenues indirectement via ces observations depuis l’espace mais elles nécessitent le recours à des bases de données peu fiables et à des hypothèses sur différents paramètres. Les mesures directes des distributions de concentration constituent dans ce contexte une in­ formation complémentaire et une contrainte importante dans la détermination des émissions.

2.

Composition et chimie des panaches de feux

analyses locales/fégionales

.3. Motivation et plein de thèse

des panaches sur de moyennes/longues distances, ni la chimie qui s’y déroule. Les mesures fournies i)ar le sondeur lASI finterféromètre de sondage atmo­ sphérique dans l’infrarouge) embarqué sur la plateforme MetOp, offrent une possibilité unique d’étudier ces mécanismes grâce à de hautes performances de mesures et un échantillonnage spatial sans précédent. Les premiers travaux réalisés sur les feux de 2007 en Grèce et de 2008 en Sibérie, ont en effet mon­ tré que l’instrument détectait de nombreuses espèces dans les panaches, dont des composés organiques volatils (CQ mais aussi CH3OH, HCOOH, C2H4) et des composés azotés (NHg, PAN) [Coheur et al, 2009; Turquety et ai, 2009] [45, 179] et que l’istrument permettait de suivre l’évolution de ces composés sur plusieurs jours et à des échelles régionales (le bassin méditerranéen dans (;e cas).

3.

Motivation et plan de thèse

Notre travail de thèse s’inscrit dans le cadre général de l’étude effectuée précédemment par Coheur et al. [2009] [45]. Il repose sur l’analyse des spectres enregistrés dans l’infrarouge thermique depuis le sondeur lASI dans le but d’effectuer une étude locale à régionale de la chimie et du transport de ceux-ci dans les panaches de feux de végétation.

Nous établissons dans une première partie les différents concepts théoriques nécessaires à l’étude effectuée dans cette thèse. Cette partie théorique com­ prend quatre chapitres.

- Le premier introduit les différents aspects liés à l’atmosphère terrestre, à savoir sa composition et sa structure, la circulation générale atmosphérique, ainsi que le transport et la durée de vie des composés atmosphériques.

végétation et leur étendue sur le globe. La variabilité saisonnière des feux est également décrite sur base de ces mesures, avant d’aborder la méthode généra­ lement utilisée pour construire des inventaires d’émission spécifiques aux feux. Nous décrivons finalement les principaux impacts environnementaux liés aux émissions des feux.

- Le troisième chapitre continue les notions générales en abordant différents aspects théoriques de la télédétection spatiale dans l’infrarouge et la modéli­ sation du transfert radiatif. Nous décrivons brièvement l’équation du transfert radiatif appliquée à l’instrument qui nous occupe, qui est décrit par la suite. Nous citons ensuite les différentes méthodes d’inversion développées à l’ULB et utilisées afin de restituer les concentrations des composés chimiques à partir des mesures spectrales effectuées par le sondeur lASI. Nous présentons éga­ lement dans ce chapitre les avancées majeures effectuées par cet instrument, ainsi que celles dans le cadre de l’analyse des panaches de feux de végétation. - Nous présentons dans le chapitre 4, les grandes lignes du fonctionnement du modèle de chimie - transport CHIMERE, auquel nous avons eu recours dans ce travail de thèse pour l’étude des feux d’Australie de 2009.

Dans une deuxième partie, nous présentons et nous discutons les différents résultats obtenus qui se répartissent en 2 chapitres :

.3. Motivation et plan de thèse

- Nous terminons notre étude de cas par une analyse globale des rapports d’enrichissement de NH^ et HCOOH relatifs au CO pour deux types de végé­ tation brûlées, à savoir les savanes et les forêts boréales. Les premiers résultats permettent d’envisager un travail plus global sur les émissions par les feux de certains composés importants, dont notamment l’ammoniac et l’acide for­ mique.

Chapitre I.

L’ATMOSPHÈRE TERRESTRE

L’atmosphère terrestre représente l’enveloppe externe gazeuse (jui entoure de toutes parts notre planète terre comme faisant corps avec elle. Bien qu’elle soit mince en comparaison avec le rayon terrestre, l’atmosphère joue plusieurs rôles permettant de rendre la vie possible. Elle représente principalement un filtre aux rayonnements ultraviolets nocifs pour la santé humaine et animale, protège des météorites, et maintient des températures idéales pour la vie. Elle représente également un réservoir aux substances naturelles ainsi qu’aux émis­ sions qui découlent de l’activité humaine. Dans ce premier chapitre, nous rap­ pelons de façon brève les principales étapes ayant mené à la formation de l’atmosphère secondaire sur terre. Nous nous attachons ensuite à décrire l’at­ mosphère terrestre actuelle, en termes de sa composition chimique moyenne, de sa structure verticale (section 2.) et de la circulation moyenne dans la tropo­ sphère (section 3.), puis en abordant les caractéristiques principales du trans­ port et du lien entre celui-ci et la distribution des espèces réactives dans la troposphère (section 4.).

1.

De l’atmosphère primitive à l’atmosphère

actuelle

Selon les théories les plus couramment admises, la terre au début de son existence, il y a 4.5G milliards d’années, avait une température au sol qui avoisinait les 1500°C et son atmosphère, dite « primitive », contenait les gaz

présents dans la nébuleuse solaire (composée à 99% d’hélium (He) et d’hydro­ gène (H)). Ces gaz se sont échappés sous l’effet des rayonnements intenses du Soleil et suite à la faible force de gravité de la terre. À mesure que la terre se refroidit, le volcanisme émet des quantités importantes d’eau et du gaz carbo­ nique. La composition de l’atmosphère dite « primaire » est alors comparable à celle des gaz volcaniques actuels, comprenant principalement de la vapeur d’eau (H2O), du dioxyde de carbone (CO2) et du diazote (N2), et à un degré moindre, d’autres gaz comme le méthane (CH4), l’ammoniac (NH3) et l’acide cyanhydrique (HCN). Jusque-là, cette atmosphère ne contient pas d’oxygène.

La terre continue à se refroidir et la vapeur d’eau atmosphérique se condense, et forme les océans. L’atmosphère devient alors très riche en CO2 et entre dans sa phase dite « secondaire ». La dissolution progressive du CO2 dans les océans entraîne une diminution des teneurs de celui-ci et par conséquent une diminu­ tion de l’effet de serre. La surface de la terre atteint 300°C il y a 3.5 milliards d’années, pour diminuer à 100°C il à 3.2 milliards d’années. Les taux de CO2 et de H2O continuent à baisser progressivement dans l’atmosphère, engendrant des conditions favorables au développement de la vie. Suite à celle-ci et à la photosynthèse qui en résulte, l’oxygène s’accumule dans l’atmosphère tandis que les concentrations de CO2 diminuent. Au fil des années et avec la forma­ tion de la couche d’ozone, la vie s’est développée sur terre et l’atmosphère est devenue celle que l’on connaît aujourd’hui. Sa composition moyenne se carac­ térise par une dominance du diazote (N2) et du dioxygène (O2), ainsi que de différents constituants en plus faible concentration (voir section suivante). La température moyenne à la surface^ de l’ordre de 15°C, est due à l’effet de serre naturel.

1.2. Composition et structure verticale de l’atmosphère

2.

Composition et structure verticale de

l’at-_________1- ___

2.1. Composition

Dans sa composition chimique moyenne, l’air sec compte environ 78% de N2 et 21% de Og. La vapeur d’eau (HgO) représente le troisième constituant le plus important de l’atmosphère. Sa proportion est très variable (jusqu’à 3%) selon la latitude et les saisons. Le C()2 ne représente qu’une faible fraction, voisine de 0.04%, tandis que moins de 1% de l’air est composé de gaz rares comme l’argon et l’hélium.

La teneur d’un gaz dans l’atmosphère peut être exprimée en rapport de mélange (VMR, Volume Mixing Ratio) de l’espèce gazeuse X, qui est donné par le rapport entre la densité (nombre de molécules de l’espèce X par volume d’air, en molécules cm~^), notée px pour l’espèce X par rapport à celle de l’air selon :

VMR = y (1.1)

Le rapport de mélange est sans dimension mais, étant donné que les frac­ tions molaires sont faibles, il s’exprime fréquemment en ppm (parties par mil­ lion), soit 10~® mol/mol ou encore en ppb (parties par milliard), soit 10“® mol/mol. Le tableau 1.1 présente les rapports de mélange moyens des princi­ paux gaz composant l’atmosphère.

Selon leur abondance (tableau 1,1), ces espèces peuvent être séparées en trois catégories : les gaz majeurs (Ng, O2, Ar), les gaz mineurs (H2O et CO2), et les gaz en trace. Parmi les gaz en trace, on compte O3, CH4, le monoxyde de carbone (CO), le dioxyde de soufre (SO2), le dioxyde d’azote (NO2), etc. On classe également les comimsés selon leur source : on distingue ainsi les composés dits primaires lorscju’ils sont émis depuis la surface, des composés secondaires, formés dans l’atmosphère suite aux différents processus physico­ chimiques (lui s’y déroulent. Parmi les émissions, on distingue les émissions

Tableau 1.1 — Composition chimique do l’air sec en 1977, [Jaœb, 1999] [90] Gaz constituants de l’air sec Rapports de mélange (mol/mol) Diazote (N2) Dioxygène (O2) Argon (Ar)

Dioxyde de carboné (CO2) Néon (Ne) Ozone (O3) Hélium (He) Méthane (CH4) Krypton (Kr) Hydrogène (H2)

Protoxyde d’azote (N2O)

(0.01-10) X 10-® 0.0093 365 X 10~® 18 X 10-® 5.2 X 10-® 1.7 X 10“® 1.1 X 10-® 500 X 10-® 310 X 10-® 0.78 0.21

naturelles comme par exemple les émissions volcaniques, l’érosion du sable sous l’action du vent, les émissions biogéniques (importants par exemple pour les composés organiques volatils (COVs)), des émissions anthropiques liées à l’activité humaine (transport, industries, production d’énergie etc.).

2.2.

Structure verticale

Comme nous l’avons mentionné au début de ce chapitre, l’atmosphère ter­ restre constitue une enveloppe essentiellement gazeuse, entourant la planète. La stabilité de cette enveloppe gazeuse résulte de l’équilibre hydrostatique. L’établissement de l’équilibre hydrostatique rend compte du fait que la pres­ sion totale diminue exponentiellement avec l’altitude (voir figure l.l(a)) selon l’équation :

Où Po est la pression au niveau du Sol, et H représente « la hauteur d’échelle ». Elle est donnée par :

P = Po e H (1.2)

1.2. Composition et structure verticale de l’atmosphère

Avec la masse molaire de l’air (28,976 g mol“^ en-dessous de 80 km ^), R la constante des gaz parfaits (8.315 .1 mol“^'), la température atmo­ sphérique (K) à l’altitude z, et g est l’accélération de la pesanteur (9.81 m s“^). La hauteur d’échelle est de l’ordre de 8 km dans les premiers 12 km de l’at­ mosphère.

2.2.1. Profil vertical de température

Compte tenu de la dépendance de la température avec l’altitude, il est d’usage de stratifier l’atmosphère en quatre couches différentes, à l’intérieur desciuelles la température évolue avec l’altitude. La figure 1.1a montre un profil-type de température allant de la surface à 120 km d’altitude pour les 4 premières couches, dont les caractéristiques sont les suivantes :

- La troposphère est la couche la plus basse de l’atmosphère. Elle est située entre la surface et la limite avec la couche supérieure, que l’on appelle la tro- I)opause. Celle-ci dépend notamment de la latitude et la saison. Elle passe d’environ 8 km aux pôles en hiver à 18 km à l’équateur. La troposphère re­ présente la couche où se produisent les phénomènes météorologiques les plus importants ainsi que les mouvements atmosphériques horizontaux et verticaux. La température y décroît avec l’altitude, d’environ 6.5°C tous les kilomètres pour atteindre environ -55°C à la tropopause. La troposphère se divise elle- même en deux couches : la couche limite atmosphérique d’épaisseur moyenne de 1 km qui subit l’influence directe de la surface, à savoir les changements de température et d’humidité etc., et la troposphère libre (^ui se dégage de cette influence.

- La stratosphère est la seconde couche après la troposphère. Elle s’étend entre la tropopause et environ 50 km d’altitude. Elle est caractérisée par une crois­ sance de la température avec l’altitude jusqu’à environ 0°C à la stratopause, représentant la limite avec la t:ouche supérieure. L’inversion du gradient de

tem-1. au-dossus de 80 km la masse molainî diminue étant donné la séparation progressive

des composés selon leur masse.

1.2. Composition et structure verticale de l’atmosphère

pérature à la tropopause fait de cette dernière une barrière dynamique entre la troposnlière et la stratosphère, limitant les transports de matière entre ces deux couches. La stratosphère contient la majeure partie de l’ozone, laquelle constitue « la couche d’ozone ». L’ozone dans la stratosphère absorbe une grande partie des rayons ultraviolets provenant du soleil, principalement ceux de longueur d’onde inférieure à 300 nm. Il faut noter que la réaction chimique de formation de O3 à partir du O2, nécessite la formation d’une liaison 0—0. Or la formation de cette liaison est une réaction exothermique. Elle libère de l’énergie dans le milieu (24 kcal mol“^), ce qui est en partie responsable du réchauffement observé dans cette couche. La concentration maximale de O3 est observée en moyenne à une altitude de 25 km.

- Au-dessus de la stratosphère s’étend la mésosphère. Elle est caractérisée par une décroissance verticale de la température avec l’altitude. Elle peut atteindre une température minimale de -73°C vers 85 km, à la frontière (la mésoj^ause) avec la couche située au-dessus.

- La thermosphère représente la couche la plus élevée de l’atmosphère. Elle est située entre la mésopause et à peu près 600 km d’altitude. Dans cette couche, la température augmente avec l’altitude et varie entre 300°C et 1600°C selon l’activité solaire, suite à l’absorption des rayonnements ultraviolets de courte longueur d’onde (entre 100 et 200 nm) par l’oxygène moléculaire.

2.2.2. Profil vertical de densité

Pour un gaz non réactif, la densité est directement proportionnelle à la pression et diminue donc au fur et à mesure que l’on s’élève dans l’atmosphère. La figure 1.1b montre le profil décroissant de la pression sur les 50 premiers kilomètres de l’atmosphère, c’est-à-dire dans la troposphère et la stratosphère, nous verrons que pour d’autres composés les profils verticaux suivent une autre évolution verticale, résultant d’une balance entre sources et puits.

3.

Circulation générale dans la troposphère

La circulation générale atmosphérique donne une description des mouve­ ments horizontaux et verticaux de l’atmosphère à grande échelle, du sol à la tropopause. Ces mouvements jouent un rôle déterminant notamment dans la distribution des polluants loin de leur source d’émission. On distingue dans le schéma général, la circulation zonale (direction ouest - est), dont l’orienta­ tion varie avec la latitude, et la circulation méridienne (direction sud - nord) constituée par différentes cellules. Le gradient négatif de la température dans la troposphère favorise le processus de convection thermique. Cette dernière s’ex­ prime notamment par le mouvement ascendant des masses d’air plus chaudes dans les régions équatoriales et la subsidence des masses d’air plus froides dans les régions reculées des moyennes et hautes latitudes proches des pôles. Les mouvements ascendants génèrent des régions de basse pression au sol alors que les mouvements descendants génèrent des zones de haute pression.

La figure 1.2 schématise la circulation générale troposphérique. La circu­ lation zonale, s’organise selon cinq différentes zones méridiennes. La zone tro­ picale et intertropicale (entre les latitudes 30°N et 30°S) est dominée par les « alizés », des vents de direction nord-est/sud-ouest dans l’hémisphère nord et sud-est/nord-ouest dans l’hémisphère sud (cf. figure 1.2). Les alizés soufflent donc de direction opposée de part et d’autre de la zone de convergence in­ tertropicale appelée aussi « Pot au noir ». Cette dernière est une ceinture dépressionnaire en surface, de quelques centaines de kilomètres du nord au sud, caractérisée par des mouvements convectifs intenses où les masses d’air montent jusqu’à des altitudes élevées. Les deux zones tempérées de circulation, caractérisées par des vents d’ouest pour les deux hémisphères et enfin, les deux zones polaires et subpolaires (nord et sud), situées aux hautes latitudes au-delà de 60“.

1.3. Circulation générale dans la troposphère

Figure 1.2 — Schéma de la circulation générale atmosphérique, Delmas et al. [2007] [53].

la circulation entre les latitudes 30° et 60°, et finalement, les cellules polaires Les mouvements décrits précédemment, mais aussi ceux de plus petites amplitudes, vont dicter la répartition des constituants atmosphériques, la­ quelle sera par ailleurs dépendante de leur durée de vie dans l’atmosphère. Par exemple si la durée de vie d’une espèce donnée est comparable au temps de transport à l’échelle continentale, l’impact de cette espèce sera de la même échelle. L’impact sera global pour des espèces dont la durée de vie est supé­ rieure à celui du mélange à l’échelle planétaire. Nous détaillons ci-après les principaux temps de transport dans la basse atmosphère, que nous compare­ rons ensuite aux temps de vie caractéristiques des composés gazeux.

4.

Transport et durée de vie des composés at­

mosphériques

4.1. Temps caractéristique du transport dans la tropo­

sphère

La vitesse moyenne globale des vents horizontaux varie selon leur direction. Elle est de l’ordre de 17 ~ 10 m s“^ pour les vents zonaux et est plus faible, de l’ordre de 17 ~ 1-2 m s“^, pour les vents méridionaux. Pour une échelle spatiale caractérisée par une extension L, le temps de transport caractéristique {t) d’une espèce gazeuse X est donné par :

t =

U (1.4)

Avec les vitesses données en exemple ci-dessus, cette équation simple ex­ prime qu’il faut entre une à deux semaines pour réaliser un mélange zonal dans un hémisphère, et entre un à deux mois pour le transport des latitudes moyennes vers les pôles ou l’équateur. La zone de convergence intertropicale (figure 1.2) rend plus lent (entre un et deux ans) le transport d’un hémisphère à un autre (voir section 3. précédente).

Le transport vertical, en règle générale, est beaucoup plus lent que le trans­ port horizontal. Dans ce cas, le temps de transport caractéristique t dépend, à la fois, de la hauteur caractéristique L, mais aussi, du coefficient de diffu­ sion turbulente (équation 1.5). On obtient en moyenne globale un temps de transport allant de quelques heures à un jour pour le transport dans la couche limite atmosphérique, et de l’ordre du mois pour le mélange troposphérique (du sol jusqu’à la tropopause).

(1.5)

1.4. Transport et durée de vie des composés atmosphériques

plus lent, estimé en moyenne globale entre 5 et 10 ans.

La figure 1.3 illustre les échelles de temps moyens caractéristiaues du trans­ port horizontal (à gauche, figure 1.3a) et du transport vertical (à droite, fi­ gure 1.3b). Nous résumons les différents ordres de grandeur du temps de trans­ port atmosphérique dans le tableau 1.2.

4.2.

Durée de vie dans la troposphère

La durée de vie (ou le temps de résidence) d’une espèce gazeuse dans l’at­ mosphère est un facteur important lorsqu’il s’agit de quantifier l’impact géo­ graphique de cette espèce. À l’échelle globale, et en supposant que l’atmosphère terrestre représente un réservoir fermé (boîte) où aucune perte de matière vers l’espace n’est possible (Figure 1.4), ce temps est régi par trois processus : le transport, les réactions chimiques et, le dépôt sec et/ou humide à la surface de la terre.

Les processus de production et de perte de X à l’intérieur d’une boîte ciuelconque peuvent inclure des contributions des émissions (E), la production chimique (P), la perte chimicpe (L), et des dépôts (D), Fin et Fout sont res­ pectivement les flux massiques de la substance X dans et hors du volume d’air considéré (la boîte). Les termes E, et P sont des sources de X dans la boîte; les termes Fout, L, et D sont des puits de X dans celle-ci.

Le principe fondamental décrivant le comportement d’une espèce X dans l’atmosphère est la conservation de la masse. Celle-ci est décrite par l’équation suivante :

-^ = iFin-F.ut) + {S-B) (1.6)

Où m est la masse totale de la substance X dans le volume d’air considéré (c’est-à-dire la boîte), S est la vitesse d’introducùion de l’espèce X à partir d’une source (E et/ou P), et R est la vitesse d’élimination de l’espèce (L et/ou D). Ces différents termes sont considérés indépendants de t. dans la boîte. Si la boîte représente l’atmosphère planétaire, notons (jue Fin = Fcnit = 0.

80° S

©

_{^ 50 km} 10 à 15 km 1 à 2 km Stratopause 10 ans Tropopause 2 ans (a) 1 mois

Sommet de la couche limite

1 jour

(b)

Figure 1.3 — Temps caractéristiques moyens du transport (a) horizontal et (b) vertical dans la troposphère, [Delmas et al., 2005] [52].

Tableau 1.2 — Temps caractéristiques de transport atmosphérique, [Sportisse, 2008] [168]

Transport Temps caractéristique Continental 1 semaine

Intercontinental 2 semaines

Hémisphérique 1 mois

Inter-hémisphérique 1 année

Couche limite atmosphérique 1 heure - 1 journée

Troposphère libre (~ 5000 m) 1 semaine

Troposphère 1 mois

Échange troposphère vers stratosphère de 5 à 10 ans Échange stratosphère vers troposphère de 1 à 2 ans

À partir de cette équation, nous pouvons exprimer la durée de vie de l’es­ pèce X dans le réservoir comme ;

m R +

1.4. Transport et durée de vie des composés atmosphériques

r

Atmospheric

n /'b'»"

Figure 1.4 — Schéma d’im modèle atmosphérique à ime boîte pour ime espèc:e atmo­ sphérique, [Jacob, 1999] [90].

OU encore :

m

Foui + L -|- D (1.8)

Dans le cas où les sources et les puits sont à tout instant à l’équilibre, c’est-à-dire lorsque l’état stationnaire caractérisé par dm/àt — 0 est atteint, l’équation 1.8 peut également être exprimée en terme des sources comme :

m m

T =

Frmt + L -h D Fin -h E -p P (1.9)

Notons par ailleurs, que dans le cas simple où les puits de l’espèce X dans la boîte sont de premier ordre, on a : Fout + L -h D = {kout + kc + kd)m = km et T = Ifk. Ainsi, pour un puits unique caractérisé par une réaction de photo­

dissociation [Sportisse, 2008] [168], on a :

1 = TT

kx (I.IO)

Où kx représente la constante cinétûiue de photolyse. Par extension, si l’on considère plusieurs processus caractérisés par une constante cinéticjue k, la flurée de vie globale est :

1

ki (I.ll)

R

E ® O ® £_ü •UJ 1 siècle 10 ans 1 an 1 mois 1 jour 1 heure 100 s 1 s I-Espèces à longue durée de vie ,*CFC N2O ►CH4 SO2» NOX0*H2O2 DMS« • C3H6 \> isoprène •co\ ^•aérosols O3 tropo » CH3CCI3 ►CH3Br Espèces à durée de vie modérée #CH302 •HO2 *N03 •oh Espèces à courtes durée de vie 1 m 1_L km -L 1000 km_L Échelle spatiale J. temps de mélange inter-hémisphérique temps de mélange intra-hémispherique temps de mélange dans la couche limite

Figure 1.5 — Ternies de résidence des principales espèces atmosphériques.

Un exemple de puits fréquent en chimie de l’atmosphère, sur lequel nous reviendrons au chapitre IL, provient de la réaction d’oxydation par les ra­ dicaux OH. Le terme de consommation associé à la réaction bi-moléculaire

j^OH ^

Xj + OH ---..., est -kon,i [OH] [Xj], d’où un temps caractéristique par l’oxydation par OH, donné par l’équation 1.12.

1 " kou,im]

1.4. Transport et durée de vie des composés atmosphériques

troposphère planétaire. Certains de ces composés ont également une durée de vie suffisamment grande pour réaliser le transport vers la stratosphère.

Chapitre II

LES FEUX DE VEGETATION

Les feux de végétation peuvent être provoqués aussi bien par des activités humaines ((jue ce soit de manière intentionnelle, criminelle, ou accidentelle) que par des facteurs naturels (suite à des éruptions volcaniques, à la foudre, etc.). Un manque de précipitations, un déficit d’humidité ou un changement climatique local par exemple, favorisent des incendies de forêts. Ces derniers représentent à l’échelle globale une source importante de gaz et de particules dans l’atmosphère. Les feux sont de ce fait impliqués dans de nombreuses problématiques environnementales.

Ce chapitre aborde les feux de végétation (ou de biomasse) sous différents aspects, reliés entre eux. Dans les premières sections, nous précisons le concept de la biomasse (section 1.), et décrirons les différents biomes rencontrés à l’échelle du globe (section 2.). La troisième section de ce chapitre s’attache à la répartition globale des feux et à leur saisonnalité (section 3.). Elle intro­ duit également différents paramètres et quantités qui nous seront utiles par la suite, comme par exemple les feux actifs, les surfaces brûlées etc. Dans les (juatrième et cinquième sections, nous discuterons les émissions par les feux en termes de gaz et de particules (section 4.) et décrirons les méthodes utilisées pour quantifier les émissions de différents constituants dans l’inventaire GFED (section 5.). Finalement, la dernière section décrit brièvement les impacts des feux sur l’environnement global (section 6.).

1.

La biomasse terrestre

La biomasse représente par définition toute matière organique d’origine vé­ gétale (consommateurs de CO2 grâce à la photosynthèse) ou animale pouvant être utilisée comme source d’énergie. À titre d’exemple, sur un hectare de forêt, on trouve plus de 1000 tonnes de biomasse végétale, dont 880 tonnes sont sto­ ckées sous forme de bois, 100 tonnes représentent la quantité de masse végétale morte et les 20 tonnes restantes sont stockées dans les feuilles. La biomasse animale sur une même surface de 1 ha ne représente qu’une quantité minime, avoisinant les 35 kg pour les animaux terrestres (insectes, reptiles etc.) et à peu près 165 kg pour les animaux du sous-sol (microorganismes, invertébrés, etc.). Dans la suite de ce travail de thèse, nous allons nous intéresser plus particulièrement à la combustion de la biomasse de type végétal.

2.

Couverture globale de la végétation

II.2. Couverture globale de la végétation

sont utilisés afin de convertir les signatures spectrales en grandeurs ayant une signification dans le domaine de l’environnement \Sellers et ai, 19941 fl59l. Il existe plusieurs types d’indices de végétation, mais tous sont basés sur le même principe. Ils consistent dans l’application d’opérations arithmétiques entre deux bandes spectrales, souvent le rouge et le proche infrarouge. L’in­ dice le plus souvent utilisé est l’indice de végétation par différence normalisée (NDVI, Normalised Différence Végétation Index), appelé aussi « indice de Tu- cker » [Running, 1990; Tucker, 1979] [153, 177]. Cet indice est calculé selon l’équation II. 1 ci-dessous :

NDVI = ~ f-'gg (IM)

R{NfR) + R{red)

Où R{nir) et R{red) sont respectivement les réflectances dans la bande spec­ trale du proche infrarouge et du rouge. Ce facteur est compris entre -1 et -fl. Les valeurs négatives, où la réflectance est plus importante dans le rouge que dans le proche infrarouge, ne caractérisent pas la végétation mais sont dues I^rincipalement à la neige, l’eau ou les nuages. De la même manière, lorsque la réflectance dans les deux régions spectrales est de même ordre de grandeur, le NDVI est proche de zéro, ce qui est typique des sols nus ou rocheux. Les va­ leurs positives du NDVI (généralement comprises entre 0.1 et 0.7) sont, quant à elles, dues à des sols couverts de végétaux pour lesquels les valeurs modérées (comprises entre 0.2 et 0.3) représentent des zones arbustives et prairiales, et les valeurs les plus élevées (O.C à 0.8), indiquent une densité plus importante et typiques des forêts tempérées ou tropicales humides.

Comme nous l’avons mentionné, certains satellites ayant à leur bord des instruments imageurs^ permettent une bonne acciuisition de la couverture végétale. Parmi ceux-ci, on peut citer en particulier les instruments MODIS {Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer), deux imageurs qui ont été envoyés sur la même orbite à bord des plateformes satellitaires Terra (le 18 décembre 1999) et Aqua (le 4 Mai 2002). Ils ont une résolution spatiale au sol

1. Un imageiir est mi instrument de faible résolution spectrale, contenant généralement moins de 100 larges bandes spectrales.

allant de 250 mal km et enregistrent des données dans 36 bandes spectrales, comprises dans un intervalle allant de 0.4 à 14.4 jjira.. Ils sont principalement dédiés à la mesure des propriétés des nuages et des flux d’énergie radiative, mais servent souvent aussi à étudier les propriétés des aérosols, la couverture et les changements d’utilisation des sols, et aident à la détection des éruptions volcaniques et des incendies. MODIS fournit pour une année complète jusqu’à 23 couvertures globales de l’indice de végétation NDVI chacune sur une pé­ riode moyenne de 16 jours (exemple sur la flgure 2.1). AVHRR {Advanced Very High Resolution Radiometer) est un autre imageur polaire embarqué à la fois à bord d’une série de satellites de la NOAA {National Oceanic Atmospheric Administration, NOAA-15-19) mais aussi à bord du satellite MetOp A/B que l’on discutera plus en détail dans le chapitre III. AVHRR fournit la réflectance de la Terre en couverture globale journalière, en permettant d’une part de déterminer les indices de végétation (dont le NDVI), mais aussi la couverture nuageuse et la température à la surface (au-dessus des nuages, des océans et au sol). D’autres imageurs fréquemment utilisés incluent SEVIRI {Spinning En- hanced Visible And Infrared Imager), ASTER {Advanced Spacebom Thermal Emission and Reflection Radiometer), AATSR {Advanced Along-Track Scan- ning Radiometer), et flnalement SPOT-VEGETATION {Système Probatoire d’Observation de la Terre ou Satellite Pour l’Observation de la Terre). Le ta­ bleau 2.1 présente brièvement les différentes caractéristiques de ces instruments imageurs.

II.2. Couverture globale de la végétation

Figure 2.1 — Couverture globale de l’iudice de végétation par différence normalisée (NDVI) calculé à partir des doimées de TER.RA/MODIS - synthèse 16 jours - du 3 au 19 décembre 2009. Soiuce : http://modis-laind.gsfc.nasa.gov/vi.html

Il existe plusieurs bases de données fournissant des inventaires de la cou­ verture globale de la végétation en se basant sur l’analyse des valeurs du NDVI déterminées par des mesures satellitaires. On y trouve, entre autres, l’inven­ taire global GLCF ( Global Land Cover Facility) basé sur les mesures de MODIS [NASA, 2007] [125], et GIMMS [Global Inventory Modeling and Mapping Stu- dies) basé sur les données de l’instrument AVHRR [Tucker et ai, 2005] [178]. De plus, de nombreux programmes utilisent les données des instruments ima- geurs, et visent ainsi à classifier la végétation mondiale en différentes catégories.

Au total, 20 classes de végétation ont été définies. La figure 2.2 montre une carte globale représentant ces différentes classes dont, 11 sont de végétation naturelle (1-11), 3 sont modifiées par l’homme (12-14), 3 sont de couverture non végétale (15-17), et finalement 3 sont de toundra (18-20). Le tableau 2.2 regroupe ces 20 catégories ainsi que leurs caractéristicjues. Chacune de ces dif­ férentes classes possède une particularité, allant de la hauteur de la végétation au pourcentage de la couverture au sol.

Au-delà des classes précédentes, les différents types de végétation peuvent être regroupés en différents écosystèmes, sur base notamment du climat local. Whittaker a établi en 1975 le premier climatogramme permettant de schémati­ ser le lien entre le climat local (en termes de précipitations et de température) et, les différents types de végétation [Whittaker, 1975] [191]. Sur base de ce

climatogramme, Chapin et al. [2002] [29] ont établi un nouveau diagramme (appelé aussi « diagramme modifié de Whittaker », cf. Annexe 1.) représen­ tant les 9 principales régions climatiques terrestres que l’on appelle aussi « les biomes ». On y distingue :

- Les forêts tropicales humides qui se situent dans la zone de convergence intertropicale, voir chapitre I.), entre environ 12°N et 3°S. elles sont caractéri­ sées par de faibles variations saisonnières, ce qui conduit à des températures moyennes assez élevées. Comme expliqué précédemment, la zone de conver­ gence intertropicale se caractérise par de fortes précipitations (dépassant les 400 cm par an).

- Les forêts tropicales sèches qui se situent au nord et au sud des forêts tro­ picales humides. Elles connaissent Une alternance des saisons sèches et humides plus marquées en raison des mouvements saisonniers de la zone de convergence intertropicale.

- Les savanes qui se situent entre les forêts tropicales sèches et les déserts. Elles ont un climat chaud et de faibles précipitations, qui dépendent fortement des saisons.

- Les déserts : les deserts subtropicaux, allant de 25 à 30°N et S, et qui ont un climat chaud et sec en raison de la subsidence de l’air dans la branche descendante de la cellule de Hadley (voir chapitre 1.). Les déserts des latitudes moyennes, les prairies et les zones arbustive qui se retrouvent dans les zones intérieures des continents, plus précisément dans les chaînes de montagnes, ont un taux de précipitations faible et imprévisible ainsi que des températures basses, en particulier en hiver. Ces températures sont plus extrêmes que celles des déserts tropicaux (c.f. Annexe 1.). La transition du désert à la prairie et aux zones arbustives se caractérise par une augmentation graduelle des précipitations.

Tableau 2.1 — Les différents instruments imageurs et leurs principales caractéristiques.

Instruments Plateforme Lancement Altitude Orbite Géométrie Couverture Bandes Résolution Intervalle (km)

globale spectrale spatiale spectral

fim MODIS tkrra'-am aqua‘-pm 12/1999 05/2002 705 Quasi-polaire.

héliosynchrone Nadir 1-2 jours 36 (VIS et IR)

250m (bandes 1-2) 500m (bandes 3-7) 1km (bandes 8-36) 0.4 - 14.4 AVHRR/3 NOAA^ 15-19 05/1998-06/2009 807 870 Quasi-polaire, héliosynchrone

Nadir 1 jour 5 (VIS - IR) 1km (IR) et 500ra (VIS) 0.6 - 12.5 MetOp A/B 10/2006-09/2012 820 Polaire Nadir bidournalière 5 (VIS - IR) 1.09km (bandes 1-5) '0.58- - 12.5 SF^VIRl XISG^2-3 12/2005-07/2012 35800 Qéostatfoimii-e Nodir 3 j-ours 12 (VIS - IK) Ikni (bonde VIS)

3km (bande IR et 3 bandes VIS)

0.4 - 1.6 3.9 - 13.4 ASTER TERRA* 12/1999 705 Quasi-polaire,

héliosynchrone

Nadir 1-2 jours 14 (VIS - IR) 15m (bandes 1-3) 30m (bandes 4-9) 90m (bandes 10-14)

0.52 - 11.65 AATSR ENVISAT 03/2002 800 Polaire Nadir 6 jours 7 (VIS - IR) 1km (4 bandes IR)

1km (3 bandes VIS) 0.55 - 12 SPOT-VEG 6 Ariane 02/1986-09/2012 832 Quasi-polaire,

héliosynchrone

Nadir 26 jours 5 (VIS - NIR) 1.5m (4 bandes VIS) 6m (1 bande NIR)

0.455 - 0.695 0.760 - 0.890 'EOS- f'iarth Observtng System

^POES- Polar-orbiting Operational BnviTonmental Satellites

®MSG- Metc.osnl Second Génération

1 23456789 10 11

1. Evergreen Needleleaf Forest 2. Evergreen Broadleaf Forest 3. Deciduous Needleleaf Forest 4. Deciduous Broadleaf Forest 5. Mixed Forests 6. Closed Shrublands 7. Open Shrublands 8. Woody Savannas 9. Savannas 10. Grasslands 12 13 14 15 16 17 18 19 20 11. Permanent Wetlands 12. Croplands

13. Urban and Bullt-Up

14. Cropland/Natural Végétation Mosaic 15. Snow and Ice

16. BarrenorSparselyVegetated 17. Océan

18. WoodedTundra 19. Mixed Tundra 20. Bare Ground Tundra

Figure 2.2 — Classification de la végétation globale fourme par la base de données GLDAS {Global Land Assimilation SÿMem), version NOAHv3.3. Source : littp://ldas. gsfc.nasa.gov/gldas/GLDASvegetâtion.php

étés frais.

- Les forêts tempérées qui se tfouvent aux latitudes moyennes, où les pré­ cipitations sont suffisantes pour permettre le développement des forêts denses. Le front polaire migre au nord et au sud de ces forêts, de l’été à l’hiver, pro­ voquant un climat fortement saisonnier.