Intéractions aérosols-rayonnement-nuages et variabilité climatique en méditerranée - Approche par la modelisation régionale couplée

Le bassin méditerranéen est sujet à de nombreuses sources d'aérosols présentant une variabilité spatio-temporelle élevée. Ces aérosols interagissent de manière directe avec les rayonnements solaire et thermique, et de manière indirecte avec les nuages et la dynamique atmosphérique. Ils peuvent donc avoir un impact important sur le climat de cette région. Ce travail de thèse, à la frontière entre les projets HyMeX et ChArMEx, considère une approche par la modélisation régionale couplée pour répondre aux questions des interactions aérosols-rayonnement-nuages par rapport à la variabilité climatique de la région méditerranéenne. Afin de mieux caractériser les aérosols méditerranéens, une nouvelle climatologie mensuelle et interannuelle d'épaisseur optique a été développée à partir d'une combinaison de produits satellites et de modèles. Ce jeu de données, disponible pour tous les modèles régionaux de climat en Méditerranée sur la période 1979-2012, a été mis au point dans le but d'obtenir la meilleure estimation possible du contenu atmosphérique en aérosols pour les cinq types considérés (sulfates, carbone suie et organique, poussières désertiques et sels marins). Des ensembles de simulations réalisées sur la période 2003-2009 avec et sans aérosols montrent un impact majeur sur le climat régional. Cet impact se caractérise par un forçage radiatif négatif en surface (dû à la diffusion et l'absorption du rayonnement solaire incident) de -15 W.m−2 en moyenne annuelle sur la mer Méditerranée, par un refroidissement induit en surface à la fois sur mer et sur terre de l'ordre de 0.5◦C en moyenne annuelle, par une diminution moyenne des précipitations ainsi que par des changements de nébulosité. Le cycle saisonnier et les structures spatiales du climat méditerranéen sont ainsi significativement modifiés, ainsi que certaines situations spécifiques comme la canicule de juillet 2006 qui a été renforcée par la présence d'aérosols désertiques. Le rôle essentiel de la température de surface de la mer Méditerranée dans la réponse du climat aux aérosols est mis en évidence, et permet de comprendre les modifications induites des flux air-mer (notamment la diminution de la perte en chaleur latente) et ses conséquences sur le climat régional. La convection océanique en mer Méditerranée est également renforcée par la présence d'aérosols. En outre, on démontre que la diminution des aérosols anthropiques observée depuis plus de trente ans a contribué significativement aux tendances climatiques de rayonnement (représentant 81 ± 15 % de l'éclaircissement) et de température (représentant 23 ± 5 % du réchauffement) observées en Europe et en Méditerranée. D'autre part, un schéma interactif d'aérosols a été mis en place dans le modèle atmosphérique ALADIN-Climat afin de pouvoir comprendre les processus liés aux aérosols à l'échelle quotidienne. On montre ici la capacité de ce schéma de simuler de manière réaliste les aérosols présents en Méditerranée, notamment dans le cas des intrusions de poussières désertiques observées pendant la campagne de mesures ChArMEx/TRAQA. Un exercice d'intercomparaison avec d'autres modèles intégrant les aérosols désertiques confirme la performance du nouveau schéma. De plus, utiliser un schéma prognostique d'aérosols au lieu d'une climatologie mensuelle permet de mieux reproduire les variations quotidiennes et en particulier les extrêmes de rayonnement et de température en surface. Cela induit aussi une modification du climat moyen, dans la mesure où les variations des aérosols et de leurs effets dépendent des régimes de temps et de la nébulosité. Cette thèse conclut ainsi à la nécessité pour les systèmes climatiques de modélisation régionale en Méditerranée de bien prendre en compte les effets radiatifs des aérosols et leur variabilité spatiotemporelle, y compris à haute fréquence. Les impacts de ces effets radiatifs sur de nombreux paramètres (rayonnement, température, humidité, flux air-mer, circulation océanique, etc.) sont en effet démontrés à différentes échelles d'espace et de temps (variabilité quotidienne, cycle saisonnier, tendances climatiques, extrêmes, structures spatiales). Ce travail a aussi montré que le couplage entre l'atmosphère et la mer Méditerranée est indispensable pour des études aérosols-climat dans cette région. ABSTRACT : The Mediterranean basin is affected by numerous and various aerosols which have a high spatiotemporal variability. These aerosols directly interact with solar and thermal radiation, and indirectly with clouds and atmospheric dynamics. Therefore they can have an important impact on the regional climate. This work, located at the boundary between the ChArMEx and HyMeX programs, considers a coupled regional modeling approach in order to address the questions of the aerosol-radiation-cloud interactions with regards to the climate variability over the Mediterranean. In order to improve the characterization of Mediterranean aerosols, a new interannual monthly climatology of aerosol optical depth has been developed from a blended product based on both satellitederived and model-simulated datasets. This dataset, available for every regional climate model over the Mediterranean for the 1979-2012 period, has been built to obtain the best possible estimate of the atmospheric aerosol content for the five species at stake (sulfate, black carbon, organic matter, desert dust and sea salt particles). Simulation ensembles, which have been carried out over the 2003-2009 period with and without aerosols, show a major impact on the regional climate. This impact is characterized by a negative surface radiative forcing (due to the absorption and the scattering of the solar incident radiation) of -15 W.m−2 on annual average over the Mediterranean Sea, an induced surface cooling both over land and sea of about -0.5◦C on annual average, a decrease in precipitation as well as cloud cover changes. The seasonal cycle and the spatial patterns of the Mediterranean climate are significantly modified, as well as some specific situations such as the heat wave in July 2006 strengthened by the presence of desert dust particles. The essential role of the Mediterranean sea surface temperature is highlighted, and enables to understand the induced changes on air-sea fluxes (notably the decrease in the latent heat loss) and the consequences on regional climate. Oceanic convection is also strengthened by aerosols. In addition, the decrease in anthropogenic aerosols observed for more than thirty years is shown to significantly contribute to the observed Euro-Mediterranean climatic trends in terms of surface radiation (representing 81 ± 15 % of the brightening) and temperature (representing 23 ± 5 % of the warming). Besides, an interactive aerosol scheme has been developed in the atmospheric model ALADINClimate in order to better understand aerosol processes at the daily scale. This scheme shows its ability to represent correctly the aerosol patterns over the Mediterranean, especially with regards to dust outbreaks that were measured during the ChArMEx/TRAQA field campaign. An intercomparison exercise with several dust models confirms the performance of the new scheme. Moreover, the use of a prognostic aerosol scheme instead of a monthly climatology enables to better reproduce the daily variations of surface radiation and temperature and related extremes. This also leads to changes in the mean climate, insofar as aerosol variations and their effects depend on weather regimes and cloud cover. Finally this study concludes with the need for regional climate system models over the Mediterranean to take into account the radiative aerosol effects and their spatio-temporal variability, including at high frequency. The impacts of these radiative effects on numerous parameters (radiation, temperature, humidity, ocean-atmosphere fluxes, oceanic circulation, etc.) are indeed shown and understood at different space and time scales (daily variability, seasonal cycle, climate trends, spatial structures). This work has also shown the importance of the coupling between the atmosphere and the Mediterranean Sea for aerosol-climate studies in this region

Application de la grille à la télédétection des aérosols

International audienceLes satellites sont devenus des instruments incontournables de l'observation de la Terre et de son atmosphère. Ils permettent de suivre et de caractériser de plus en plus finement, à l'échelle globale, les différents constituants de l'atmosphère (gaz, nuages, aérosols) qui seront ensuite pris en compte dans les modèles de prévision du climat. Un corollaire à l'accroissement du volume d'informations émis par satellite et au raffinement des techniques de modélisation est l'augmentation de la puissance de calcul nécessaire à l'exploitation scientifique des données. Dans cette perspec- tive, l'Initiative de Grille Européenne (EGI, anciennement EGEE) est une solution envisagée pour traiter des données satellitaires. Elle a été appliquée au traitement des données d'un satellite français d'observation des nuages et des aérosols, PARA- SOL, et a permis de traiter en trois mois et sans frais de développement important, en particulier sans achat de nouveau matériel ni refonte de l'application concernée, l'équivalent de dix-huit mois de la puissance de calcul obtenue en mobilisant toutes les ressources à la disposition du personnel exploitant - ce qui n'aurait de toute façon pas été effectué dans ces conditions

Analyse des paramètres optiques des aérosols atmosphériques, de leur distribution et de leur albédo de diffusion par les mesures photométriques au Mali

Cette étude porte sur l’analyse des paramètres optiques des aérosols atmosphériques, de leur distribution en taille et de leur albédo de diffusion simple à l’échelle locale de deux stations photométriques solaires, Agoufou et IER_Cinzana, du réseau mondial AERONET au Mali. Les résultats indiquent que les valeurs plus élevées des moyennes journalières du coefficient d’Angström α 440-870 (α 440-870 ≥ 0,5) correspondent aux plus faibles valeurs de l’épaisseur optique des aérosols τa500 (0,0 < τa500 < 0,5) et vice versa (α440-870 < 0,5 pour 0,0 < τa500< 4,0). Ce qui indique la prédominance de la poussière minérale au-dessus des localités. Les fréquences de distribution des paramètres optiques des aérosols et la distribution en taille des aérosols, dV/dlnr (en μ m3/μ m2), montrent que l’atmosphère au-dessus des deux localités, est caractérisée par une mixture d’aérosols grossiers prédominants et d’aérosols fins. Les valeurs enregistrées de l’albédo de diffusion simple ω0 (sans unité) des aérosols localement existants indiquent qu’ils diffusent beaucoup plus les rayonnements solaire et terrestre qu’ils n’en absorbent.Mots-clés : aérosols atmosphériques, AERONET, EOA, coefficient d’Angström, distribution en taille, albédo de diffusion simple, poussière minérale, feux de biomasse

Les effets environnementaux des particules

National audienceApart from its impact on human health, particulate matter is involved in different environmental problems, such as climate change, tropospheric ozone formation, visibility impairment and hydrology disruption. The role of particulate matter in global warming depends on the composition of the particles, and can lead to a cooling or a warming effect. New scientific results are currently showing the possibility of a stronger warming of the atmosphere by black carbon aerosols than previously thought. For that reason, some scientists claim that strategies to fight global warming should include black carbon emission reductions. These reductions would have an immediate action of slowing global warming, that would complete actions taken on CO2 targeting long-term effects. Such a strategy would bring ancillary benefits in terms of air quality and health effects. At least, past and current European policies of emission reduction of SO2 and NH3 are expected to lead to a decrease in the cooling effect of sulphate and nitrate aerosols, that should be offset as much as possible by efforts on black carbon emission reductions, otherwise the net effect of aerosols on global warming in Europe could go the wrong way. Pollution by particulate matter and tropospheric ozone formation are closely interconnected (particulate matter impacts on photolysis rates, secondary aerosol and ozone have common precursor gases,...), and for that reason the North-American Strategy on Tropospheric Ozone (NARSTO) chose to integrate both aspects in its strategy. Such a concern for consistency should be considered at a higher degree within the Convention on Long Range Transboundary Air Pollution in Europe. Another environmental effect of particulate matter is visibility impairment, mainly attributable to sulphate and organic aerosols. In the United States, it is considered as an important problem that affects not only National Parks but also the entire population. It has been evaluated in the US that monetarised benefits from the Clean Air Act are twice as high as benefits expected from reduced damages to crops by tropospheric ozone. There is very few knowledge about public perception of this environmental problem in Europe, nor European countries seem to have policies to address the issue. However, a recent study found that visibility impairment was more pronounced for most parts of Europe than in the USA. Finally, considering all environmental effects of particulate matter, it is likely that the best way to address such a variety of problems is to search for a simultaneous and general reduction of all air pollutants emissions. It is especially important that future emissions reduction of atmospheric pollutants address black carbon, if we want to avoid the risk that these reductions might lead to counter-productive effects in terms of climate change.En dehors de leur effet sur la santé humaine, les particules interviennent dans de nombreuses problématiques environnementales, dont le changement climatique, la formation d'ozone troposphérique, la réduction de la visibilité, et les régimes hydrologiques. L'effet des particules en termes de changement climatique est complexe et emprunte plusieurs voies. Il se traduit par des effets opposés de réchauffement ou de refroidissement de l'atmosphère, notamment selon la composition chimique des particules. On semble assister actuellement à la remise en cause de l'idée qui prévalait que, globalement, les aérosols refroidissaient l'atmosphère, notamment en raison de nouveaux faits scientifiques concernant l'action réchauffante des particules de carbone. Par conséquent, certains scientifiques estiment que les stratégies de lutte contre le changement climatique pourraient inclure une réduction des aérosols de carbone-suie, en permettant un effet à court terme de ralentissement du changement climatique, complémentaire des actions sur le CO2, qui sont plus difficiles à mettre en place à court terme, et qui n'auront pas un impact rapide. Des bénéfices supplémentaires en termes de qualité de l'air sont en outre à attendre d'une telle stratégie. Enfin, les politiques passées et actuelles de réduction importante des émissions de SO2 et NH3 en Europe vont amener une baisse des aérosols secondaires de sulfate et de nitrate, globalement refroidissants, qui devrait être accompagnée par une baisse suffisante des aérosols de carbone-suie, sous peine d'une évolution négative du forçage radiatif global par les aérosols en Europe. Des liens étroits unissent pollution particulaire et formation d'ozone (impact des particules sur les réactions photo-oxydantes, précurseurs communs pour les particules secondaires et l'ozone,...), ce qui a conduit à intégrer complètement les deux stratégies, dans le cadre de la Stratégie Nord Américaine pour l'Ozone Troposphérique (NARSTO). Ce souci de cohérence des stratégies de réduction des particules avec les problèmes de formation d'ozone serait utile à considérer pour la Convention de Genève sur la Pollution Atmosphérique Transfrontière en Europe. Un autre impact qui leur est imputable est la réduction de la visibilité,qui est principalement le fait des aérosols de sulfates et des aérosols organiques. Aux Etats-Unis, il s'agit d'un problème important, considéré comme portant atteinte aux parcs nationaux, mais également à l'ensemble de la population. On a pu évaluer aux USA que les bénéfices monétarisés du Clean Air Act sont deux fois plus importants en termes d'amélioration de la visibilité, que pour la réduction des dommages aux cultures par l'ozone troposphérique. Peu de connaissance est disponible sur la perception de cette question par les populations, et aucun pays d'Europe ne semble disposer d'une politique en la matière. Cependant, une étude récente a estimé que la réduction de visibilité est significativement plus grande en Europe qu'aux Etats-Unis. Au vu de cette synthèse des effets environnementaux des particules, il semble probable que la seule façon d'obtenir des politiques globalement positives pour l'ensemble des effets pris en considération, soit de rechercher une baisse continue et simultanée des émissions de l'ensemble des polluants atmosphériques. Il semble notamment important de veiller à ce que les mesures de réduction des émissions de polluants atmosphériques prises dans le futur, hors gaz à effets de serre, prennent en compte le carbone-suie, car sinon il existe un risque qu'elles conduisent à un effet contre-productif en termes de lutte contre le réchauffement global

Climate is a Physical Matter

Definitely, it is the human being who is at the origin of the climatic disturbance that we are currently living! Without comparison with the natural climate changes that represent the history of the Earth's climate nearly 4.5 billion years ago. It is the position of the earth in relation to the sun that defines its global climate, like the different planets of the solar system. These are the atmospheric particles (gas molecules, aerosols and clouds) which share different roles of interactions with the flux of incident solar radiation, and cause it to undergo a more or less significant attenuation depending on the composition of the column of air crossing. Thus the treatment of the climate issue, while being complex, is basically a physical treatment! Measurements of optical thicknesses at different terrestrial locations show an irrefutable increasing radiative forcing due to the increase in the concentration of CO2 and anthropogenic aerosols, unprecedented for a million years and reflecting the activity of nearly 8 billion inhabitants

Pyrosol deposition of anatase TiO2 thin films starting from Ti(OiPr)4/acetylacetone solutions

TiO2 thin films were deposited on Si(100) and steel substrates by Pyrosol technique. The layer morphology depends on the concentration of titanium tetra-isopropoxide (TTIP) used as molecular precursor in solutions with acetylacetone (Acac). The concentration and, as a result, the viscosity of these TTIP/Acac starting solutions plays an important role on the efficiency of their nebulization and, consequently, on the microstructure and the growth kinetics of the TiO2 thin films. The correlations between the composition of the TTIP/Acac solutions and the structure, the morphology, optical properties and the deposition rate of the films are presented and discussed. Growth rates as high as 1.8 μm/min are obtained using pure TTIP without Acac solvent. The photocatalytic activity of these Pyrosol TiO2 thin films grown using TTIP with and without Acac solvent has been investigated and a negative effect of the solvent was found

Validation de quelques modèles spectraux pour la détermination du spectre solaire au sol en Algérie

In this work, we draw on the methodological approaches of the spectral models developed by Bird & Riordan and Leckner to compute the spectral components of solar radiation on the ground for different catch surface tilts. The main objective remains to make available to researchers and designers of solar energy systems, especially Algerian, a numerical tool for calculating the spectral components of solar radiation integrating different atmospheric conditions. The spectra thus obtained will make it possible to examine the spectral selectivity performances of photovoltaic devices varying a set of input parameters such as air mass, atmospheric turbidity and water vapor as well as the day of the year