Équipe IAR
Propriétés des aérosols et quantification des espèces gazeuses
Responsables du thème : Hervé Herbin, Fabien Waquet
Les recherches menées dans ce thème visent à concevoir, développer, évaluer et mettre en œuvre de nouvelles approches, aussi bien expérimentales qu’algorithmiques, pour caractériser, avec la meilleure précision, les propriétés physiques et optiques des particules (concentration, distribution en taille, indicateur de forme, épaisseur optique, albédo de diffusion simple et indice de réfraction complexe) et de leurs précurseurs gazeux (concentration). Pour cela, il convient tout autant d’améliorer la qualité des observations que les moyens d'analyse permettant de les exploiter pleinement. Ces derniers se déclinent selon différentes échelles d’observation, de l’échelle planétaire jusqu’au laboratoire.
Échelle globale et régionale (mesures spatiales et aéroportées)
- La télédétection spatiale, et en particulier dans le cadre de l’exploitation de la mission franco-américaine A-Train, a donné lieu à des avancées majeures sur la connaissance des propriétés des aérosols telles que leur abondance, leurs propriétés dimensionnelles, leur absorption en condition de ciel clair (cf. Fig. 1a), comme au-dessus des nuages (Fig. 1b), à l’échelle planétaire, ou encore une première estimation de leur composition chimique (cf. Fig. 2), à l’échelle régionale.
Figure 1. (a) Valeurs moyennes sur 3 mois de l’albédo de diffusion simple (SSA) des aérosols présents au-dessus des océans et des continents en ciel clair (méthode GRASP appliquée aux données du capteur POLDER/PARASOL, source : Oleg Dubovik, 2018). (b) Même variable mais au-dessus des nuages (Source : Fabien Waquet (2018).
Figure 2. Exemple de restitution de la spécification d’aérosols comme la poussière minérale, le fer et le carbone suie, à partir d’observations satellitaires (POLDER/PARASOL). Les concentrations volumiques dans la colonne atmosphérique pour l’automne 2008 sont présentées. Source : Thèse de Lei Li, LOA (2018).
Le détection et l’étude des poussières d’origine minérale au-dessus des zones sources via l’indice aérosol l’IDDI est également possible grâce à l’exploitation des mesures spatiales acquises dans l’infrarouge thermique (http://www-loa.univ-lille1.fr/observations/spatiales.html?p=IDDI).
La préparation des missions 3MI, IASI-NG et UV-NS des satellites MetOP-SG permettra la conception et mise œuvre de nouvelles méthodes d’inversion (GRASP, ARHAMIS) restituant simultanément les propriétés aérosols, nuages et gaz et tirant profit de synergies prometteuses (spectrales, sol et satellites, actif/passif, géostationnaires/polaires).
- Les observations aéroportées permettent aussi d’acquérir des jeux d’observations très variées (in situ, télédétection passive et active, données météorologiques). La campagne aéroportée AEROCLO-sA (http://www.agence-nationale-recherche.fr/Projet-ANR-15-CE01-0014) menée en collaboration avec des laboratoires français (LISA, LATMOS, météo-France) a notamment permis d’obtenir des mesures avec les instruments aéroportés développés au laboratoire (OSIRIS, PLASMA). Les mesures réalisées à différents niveaux dans l’atmosphère vont permettre d’évaluer les méthodes inverses en préparation pour la mission 3MI (c.f. Fig. 3).
Figure 3. (a) Épaisseurs optiques aérosol restituées par inversion des mesures de luminance angulaire et spectrales de l’instrument OSIRIS (maquette 3MI) au-dessus des nuages comparées aux valeurs d’épaisseurs optiques directement mesurées par le photomètre PLASMA au ras des nuages au-dessus du même axe de vol (entre 8:45 et 9:00 UTC). (b) altitude de l’avion et trajectoire du vol représentée sur une image du satellite VIIRS. Vol effectué le 12 septembre 2017 au large de la Namibie à bord du FALCON-20. Source : travaux d’Aurélien Chauvigné, post-doctorant, LOA.
Échelle locale (sol et laboratoire)
La télédétection depuis le sol permet une caractérisation précise et détaillée (séparation modale, absorption, distribution verticale) des propriétés aérosol, à l’échelle locale (ex : réseau AERONET/ACTRIS). Le laboratoire opère de nombreux équipements phares tels que LILAS, CHRIS, systèmes et capteurs mobiles (photométrie, micro et nano-LIDAR, micro-capteur). Ces évolutions instrumentales s’accompagnent de progrès méthodologiques réalisés, entre autres, à l’aide du code GRASP qui a ouvert la voie à l’exploitation de mesures multi-instruments (ex : Photomètres/LiDAR, Fig. 4).
Figure 4. Caractérisation des aérosols à partir de la synergie photomètre-lidar depuis la surface. (a) profils des concentration des aérosols du mode fin et du mode grossier, (b) et (c) profile d’extinction et d’absorption (d) et indice de réfraction sur le colonne, dans le cas d’un mélange de poussières et particules de fumée de biomasse (Hu et al., 2018, thèse et article, campagne SHADOW-2, Sénégal).
- En laboratoire, les développements réalisés en collaboration avec les laboratoires PC2A et le LASIR permettent de déterminer les indices complexes de réfraction d’échantillons d’aérosols de l’IR à l’UV, et par le biais d’études simultanées de la morphologie et de la composition chimique, d’établir le lien entre propriétés optiques et composition des aérosols (cf. Fig. 5).
Figure 5. Relation entre la partie réelle de l’indice complexe de réfraction des aérosols à 550 nm et le pourcentage massique en SiO2 contenu dans des cendres volcaniques issue de mesures réalisées en laboratoire. Source : Travaux de thèse d’Alexandre Deguine (2018), LOA/PC2A.
- La mesure d’aérosols in situ optique, microphysique et chimique se développe également par le biais notamment de collaborations avec les laboratoires SAGE/IMT-Douai, le LASIR et LPCA/ULCO (c.f. Fig 6.) dans le cadre du labex CaPPA, du CPER CLIMIBIO et de l’IREPS. Ce type d’observations est venu compléter la plateforme d’observation Lilloise et enrichir les campagnes de terrain, comme SHADOW-2 (http://www.labex-cappa.fr/SHADOW).
Figure 6: (a) Composition chimique (concentration massique des organiques, sulfates, nitrates, ammonium et chlore) et (b) coefficients de diffusion aérosols (450nm, 525nm et 635nm) des épisodes de pollution quantifiés en février 2017 depuis la plateforme d’observation Lilloise (mesures de l’ACSM de Mines de Douai et du néphélomètre du LOA). Lors de ces épisodes de pollution, la concentration en PM10 mesurée par ATMO HDF a dépassé les seuils d’alerte (80 µg/m3) pendant 2 jours (10-12 février).
Variabilités, Tendances et Evènements Extrêmes
Responsables du thème : Isabelle Chiapello, Yevgeny Derimian
Pour comprendre les processus contrôlant l’évolution des contenus/propriétés/impacts des aérosols, l’objectif de ce thème est d’étudier leurs variabilités spatiale et temporelle. Ces travaux sont effectués à différentes échelles, depuis les études locales jusqu’aux approches régionales et globales basées sur les observations sol ou spatiales. La variabilité des aérosols est étudiée à différentes échelles temporelles, comprenant le cycle diurne, l’évolution journalière, saisonnière et interannuelle.
Notre approche s’appuie sur les propriétés des aérosols issues des réseaux, des satellites et celles déduites des plateformes d’observation fixes et mobiles à l’aide d’algorithmes d’inversion innovants développés par l’équipe. Les observations spatiales à l’échelle planétaire sont exploitées non seulement en ciel clair mais aussi en ciel nuageux, en particulier au-dessus des nuages liquides dans le cadre des missions PARASOL et 3MI.
Animation 1. Variabilité temporelle et spatiale de l’AOD restituée par l’algorithme GRASP (Dubovik et al., 2014) appliqué à PARASOL à l’échelle globale sur la période 2006-2013.
Figure 1. Climatologie de l’AOT issu des mesures du photomètre AERONET à M’Bour (Sénégal) de 2003 à 2014 et leurs variations saisonnières. (Mortier et al., 2016).
Le LOA réalise également une analyse climatologique de l’évolution des sources et du transport de particules d’origine désertique sur une période pluridécennale, grâce à l’exploitation de l’indice «historique» IDDI fourni par les satellites géostationnaires européens (MFG et MSG) depuis 1984 au-dessus de l’Afrique et de l’Asie du Sud-Ouest.
Les mesures du réseau mondial de photomètres au sol AERONET apportent des données en continu depuis 1993 pour certains sites, en particulier ceux de Lille et M’Bour (Sénégal) gérés par le LOA dans le cadre d’ACTRIS-AERONET, et qui sont depuis 2005 des plateformes d’observations renforcées par des mesures Lidar, de flux radiatifs et in situ. Une première climatologie décennale des contenus et propriétés optiques des aérosols a été conduite sur ces deux sites de référence.
Pour l’étude d’événements extrêmes, qu’ils soient d’origine naturelle (volcanique, désertique) ou anthropique, les informations sur les aérosols et les espèces gazeuses acquises par les mesures sol (réseaux, plateformes), les mesures mobiles (en voiture ou aéroportées), et les satellites (PARASOL et bientôt 3MI, MODIS, CALIOP, IASI, IASI-NG, etc..) sont exploitées. L’enjeu est d’améliorer notre connaissance de la variabilité des propriétés des aérosols ainsi que notre compréhension de leur cycle de vie et de leurs impacts sur la qualité de l’air, le trafic aérien et le climat.
L’équipe mesure également le rayonnement UV en surface et sa variabilité sur 3 sites du réseau ACTRIS-NDACC-UV, en relation avec les aérosols, les nuages et l’ozone pour une meilleure prise en compte des impacts photochimiques et sanitaires associés.
Figure 2. Série temporelle des moyennes mensuelles de profils verticaux d’extinction, hauteurs de couches limites (points blancs) et de couches d’aérosols (points noirs) fournies par le Lidar de 2006 à 2014 à M’Bour (Sénégal). (Mortier et al., 2016).
Figure 3. Série temporelle de la moyenne sur 1h autour du midi solaire de l’indice UV obtenu à Villeneuve d’Ascq grâce aux mesures des spectroradiomètres Jobin-Yvon HD10 (de 2000 à 2008) et Bentham DTMc300 (de 2009 à 2018), affiliés au NDACC (Brogniez et al., 2016).
Cycle des aérosols et impacts
Responsables du thème : Fanny Minvielle, Jean-Christophe Péré
Figure 1. Diminution de la température prés du sol dû à l'effet radiatif direct des aérosols modélisé par le modèle météorologique WRF pour la ville de Moscou durant l'épisode de feux de biomasse de l'été 2010 (courbes rouge versus verte). En noire sont représentées les mesures de la station météorologique.
Au sein du laboratoire, les chercheurs de l’équipe IAR étudient les aérosols, ces particules en suspension dans l'air émises de manière naturelle (poussières désertiques, sels marins, végétation, volcans, …) ou par les activités humaines (transport, industrie, chauffage, …). Dans ce thème de recherche « cycle et impacts », nous nous intéressons plus particulièrement aux sources et modes d'émissions des aérosols, leurs processus de transport et de vieillissement ainsi que leurs impacts climatiques et leur rôle dans le développement d'épisodes de pollution.
Une grande diversité de sources d’aérosols existe avec des processus d’émissions tout aussi particuliers. Par exemple, les poussières et les sels marins sont soulevés par érosion de la surface terrestre ou marine selon un mécanisme à seuil dépendant à la fois de l’état et des propriétés de la surface et la vitesse du vent. Les aérosols provenant de feux de biomasse ou des volcans peuvent être eux injectés à des altitudes différentes en fonction des conditions environnementales ou de la dynamique éruptive. D'autres particules, dites secondaires, sont issues de conversion de gaz précurseurs tels que le dioxyde de soufre.
Nous étudions ces différentes sources et mécanismes d'émission afin de mieux caractériser la taille, la composition chimique, la répartition spatiale et les propriétés optiques et radiatives des aérosols et par là-même mieux prévoir leurs effets sur le climat et la qualité de l'air. En effet, par leur capacité de diffusion et d’absorption, les aérosols peuvent modifier le rayonnement solaire incident et le flux tellurique, c'est l'effet radiatif direct. Lorsqu'ils ont la capacité d'absorber le rayonnement solaire (poussières désertiques, aérosols carbonés) et en fonction de leur altitude de transport, ils peuvent également modifier les propriétés nuageuses, ce sont les effets radiatifs semi-direct. De plus, en agissant en tant que noyaux de condensation, ils peuvent modifier l'albédo et le temps de vie des nuages: Ce sont les effets radiatifs indirects. Tous ces effets participent à modifier localement la dynamique atmosphérique et la formation des nuages et peuvent favoriser, par exemple, l'accumulation des particules ou bien agir sur les bilans de formation de polluants d'intérêt sanitaire comme l'ozone.
Figure 2. Exemple de concentration massique en poussière désertique sur la zone du Sistan modélisée par RAMS : profil vertical en différentes zones (haut) et répartition horizontale à 2 altitudes différentes (bas).
Figure 3. Dispersion vers l'Europe du panache de SO2 issu de l'éruption Holuhraun du Bardarbunga fin Septembre 2014 (droite) observée grâce aux observations satellitaires OMI et (gauche) simulée à l'aide du modèle de chimie transport CHIMERE forcé par le modèle météorologique WRF (Boichu et al., ACP, 2016).
Ce cycle de vie de l'aérosol et ses différents impacts associés sont analysés au travers de cas d'études comme les feux de biomasse en zone boréales et africaines, le soulèvement de particules minérales/terrigènes en Afrique de l'ouest, Sistan et Europe de l'est ou bien les panaches volcaniques riches en soufre, voire en cendres, qui affectent l'espace atmosphérique européen en provenance d'Islande et d'Italie par exemple. Pour ces recherches, nous utilisons des modèles méso-échelle de qualité de l'air (CHIMERE) ou météorologiques (RAMS, WRF) que nous modifions en fonction des connaissances actuelles et que nous évaluons à partir d'observations disponibles issues de l'outil satellite, de la photométrie, de mesures in-situ ou d'analyses en laboratoire. Ces activités s'imbriquent avec les autres axes de recherche de l'équipe IAR mais également avec celles de l'équipe IRN à travers les interactions aérosols-nuages ou via des méthodes communes de calcul de transfert radiatif, d'évaluation des propriétés optiques des particules et de la description de la dynamique atmosphérique.