Mesure et modélisation à l'échelle régionale du carbone-suie dans l'atmosphère
Tinorua, Sarah
Measurement and regional climate modeling of atmospheric black carbon
Le carbone-suie (BC), espèce particulaire absorbante issue de la combustion incomplète d'origine anthropique et naturelle, peut induire un réchauffement de l'atmosphère soumis à de fortes incertitudes. Une meilleure estimation de sa concentration, ainsi qu'une meilleure compréhension de son transport, son vieillissement dans l'atmosphère et son dépôt permettrait d'améliorer la quantification de ses effets sur le climat. Les sites de montagne sont pertinents pour étudier le cycle de vie du BC, car ils sont éloignés des sources de pollution locale. L'objectif de cette thèse est de mieux quantifier et comprendre la variabilité des propriétés microphysiques et optiques du BC en troposphère libre, afin de mieux estimer ses effets sur le climat régional. Ce travail se base sur deux années de mesures réalisées à la station de recherche du Pic du Midi (PDM) située à 2877 m d'altitude dans les Pyrénées françaises. La première partie de cette thèse présente le programme de traitement de données développé pour quantifier la concentration et l'état de mélange des particules contenant du BC réfractaire (rBC), à partir de mesures du photomètre SP2 (Single Particle Soot Photometer). Dans une deuxième partie, une inter-comparaison de trois instruments couramment utilisées pour mesurer la concentration massique des particules contenant du BC est exposée : un aethalomètre, un SP2 et un analyseur thermo-optique. L'aethalomètre a montré des concentrations environ 2 fois plus fortes que celles des autres instruments. Les valeurs de section efficace d'absorption (MAC) et du paramètre de correction C recommandées par le constructeur de l'aethalomètre pour calculer ces concentrations ainsi que la présence de poussières désertiques ont été identifiées comme les sources de ces biais. D'autres sources de biais sur chacun des instruments sont présentées et une liste de recommandations pour les éviter ou les corriger est proposée. La troisième partie vise à étudier la variabilité des propriétés optiques et microphysiques des aérosols et des particules contenant du rBC au PDM. L'analyse de la dépendance spectrale des propriétés optiques des aérosols a montré une absorption gouvernée par les particules contenant du rBC au PDM. Une saisonnalité marquée des propriétés des particules contenant du rBC a été constatée, avec une concentration et un MAC plus importants en été qu'en hiver. Une analyse des sources d'émissions et de la dynamique atmosphérique a révélé une influence prépondérante de particules contenant du rBC émises par les feux de biomasse et transportées en troposphère libre en été, contrairement à l'hiver où une contribution plus importante de particules contenant du rBC issues de combustibles fossiles provenant de la couche limite a été observée. Afin d'étudier les interactions entre le BC et le climat régional, des simulations avec le modèle de climat régional CNRM-ALADIN ont été réalisées et analysées dans la dernière partie. Comme dans beaucoup de modèles de climat, la représentation des particules contenant du BC y est très simplifiée pour des raisons de temps de calcul. Les premières comparaisons aux observations ont montré un MAC des particules contenant du BC globalement sous-estimé, une bonne représentation de leur concentrations et une sous-estimation de l'albédo de simple diffusion des aérosols. Une étude de sensibilité des effets radiatifs des particules contenant du BC à leur absorption a été réalisée en modifiant le MAC du BC dans ALADIN conformément aux mesures réalisées au PDM. Cette nouvelle configuration a mis en évidence un forçage radiatif direct deux fois plus fort au PDM par rapport à la simulation de référence. L'étude des différences de profils verticaux de température et de rayonnement reçu à la surface entre les deux simulations montre un effet semi-direct hétérogène sur le domaine et souligne l'importance de la représentation de la distribution verticale des particules contenant du BC dans les modèles de climat.</p>
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