Dossier de presse
INDOEX
Indian Ocean Experiment
Paris, le 1er février1999
Dossier de presse
accompagnant
la conférence de presse du 1er février 1999,
CNES/CNRS-INSU
I - INDOEX
en bref
Comment les aérosols agissent-ils sur le climat?
1) Le contexte scientifique
2) Calendrier des moyens nationaux mis en
œuvre
3) Laboratoires français
impliqués
II - L'étude
de la dynamique des masses d'air pendant INDOEX
1) Suivre les masses d'air par lâchers de
ballons
2) Modéliser la dynamique atmosphérique de
grande échelle au-dessus de l'océan Indien
3) Suivre la dynamique atmosphérique par
satellites
4) Etude de la circulation tropicale à grande
échelle
III - Les
aérosols durant INDOEX
1) La distribution tridimensionnelle des aérosols
et les interactions aérosols-nuages-rayonnement-photochimie
2) Effets radiatifs des aérosols
troposphériques
naturels et anthropiques
Comment les aérosols agissent-ils sur le climat?
INDOEX
(Indian Ocean Experiment) est un projet international regroupant
des équipes
de recherche américaines, allemandes, indiennes,
hollandaises et
françaises. Il s'organise autour d'une campagne internationale
qui a débuté en janvier 1999 et se déroulera
jusqu'en
avril dans l'océan Indien. L'objectif principal d'INDOEX est
l'étude
du transport et de l'évolution des aérosols et des
constituants
en trace issus du sous-continent indien, de leurs interactions avec
les
nuages et le rayonnement. Ces motivations se placent dans le cadre
général
de l'étude du changement climatique lié aux
activités
humaines, et plus précisément de l'étude des
effets
directs et indirects des aérosols anthropiques.
L’ensemble du dispositif de la campagne comprend :
- des stations instrumentées au sol (Dharward, région
à
l'origine des masses d'air pollué, Goa sur la côte,
Malé
en aval sur l'océan, La Réunion dans les masses d'air de
l'hémisphère sud);
- deux navires océanographiques (indien et
américain);
- trois avions de recherche (C-130 américain du NCAR, Citation
hollandais, Mystère 20 français);
- des satellites (METEOSAT 5, INSAT, TRMM, NOAA, ScarRaB
(RESURS)...;
- des lâchers de ballon pressurisés.
Aérosols
Les aérosols sont des particules solides, minérales
ou organiques,
en suspensions dans l’air, de la taille de quelques microns
qui proviennent
des sols nus, des volcans, de l’évaporation des
embruns, des
rejets industriels et anthropiques. Les aérosols interviennent
dans les processus climatiques de différentes manières.
Particules solides, ils interagissent avec le rayonnement reçu
et émis par le soleil et la Terre qu’ils
arrêtent, absorbent
ou réfléchissent ; dans certaines conditions ils servent
de noyaux de condensation pour la formation des gouttes de pluies,
enfin
à leur surface des réactions chimiques peuvent favoriser
la formation ou la destruction de composés qui ont,
eux-même,
un impact sur le climat (comme certains gaz à effets de serre).
Etudier le rôle des aérosols comme facteur du
système
climatique nécessite donc, à la fois, d’analyser la
quantité et la nature des aérosols,
l’interaction aérosols-rayonnement,
l’interaction aéorosols-nuages. Autant
d’éléments
que les modèles doivent pouvoir prendre en compte de
manière
fiable. Les expériences numériques, faites notamment au
LMD, ont montré que la réponse de la température
à la surface de la Terre, à une augmentation
d’aérosols
de pollution dans l’hémisphère nord
n’était
pas uniforme et indiquait une tendance à refroidir
cethémisphère.
Cependant, la prise en compte des aérosols et de leurs
interactions
avec le rayonnement et la nébulosité dans les
modèles
de climat est délicate et demande encore que des études
approfondies sur les processus . C’est l’objectif du
programme
INDOEX.
L’océan Indien
Le choix de l'Inde se justifie car cette partie du monde devient le
plus
important émetteur d'aérosols de la planète : les
projections actuelles indiquent que le niveau d'aérosols
soufrés
devrait être multiplié par 10 d'ici 2050 dans cette
région.
Le choix de la mousson d'hiver se justifie par le fait que le panache
d'aérosols est alors transporté par un vent de nord-est
au-dessus de la mer d'Arabie : il est transporté vers le
sud-ouest,
traverse l'équateur et finit par atteindre les latitudes de la
zone de convergence intertropicale (ITCZ), où il se
mélange
avec de l'air plus pur issu en majorité des étendues
maritimes
de l'hémisphère austral. On peut ainsi comparer, en
se déplaçant
du nord au sud, des situations analogues simplement
différenciées
par la présence ou non de pollution. Au cours de son transport
vers le sud, le panache rencontre de plus un ensemble de situations
très
différentes : ciel clair, cumulus d'alizés,
stratocumulus,
nuages convectifs, jusqu'aux grands systèmes convectifs de
La zone
de convergence intertropicale . L'action des aérosols sur
les nuages
peut ainsi être étudiée de façon
très
complète. La longueur des trajets au-dessus de
l'océan permet
aussi d'étudier le devenir des aérosols continentaux,
leur
vieillissement et la transformation de leurs propriétés
physiques et radiatives.
L'océan Indien,en hiver, peut être ainsi
considéré
comme un laboratoire naturel où l'ensemble des processus
d’interaction
aérosols-rayonnement-nuages peut être analysé
en détail.
Interactions rayonnement-nuages
Les études pour une meilleure compréhension des
interactions
rayonnement-nuages donnent une large place à l’observation
satellitaire. La campagne INDOEX sera en effet couverte de
façon
très efficace par une multitude d'observations spatiales.
Sur la
proposition de la communauté scientifique française,
EUMETSAT
a placé Météosat-5 à 65°E, dans l'axe
de la mer d'Arabie. Les images Météosat, ainsi
disponibles
pendant la campagne sur l'ouest de l'océan Indien, permettront
de pallier les insuffisances éventuelles du satellite
météorologique
indien INSAT et apporteront l'énorme avantage du canal sensible
à la vapeur d'eau troposhérique. L'analyse des
données
TOVS, DMSP, TRMM, SCARAB-RESURS, INSAT, Météosat
permettra
:
- l'étude fine des nuages de basse couche atmosphérique
( couche limite au contact du sol, terre ou océan) et de leurs
propriétés radiatives, qui permettra, en outre,
d’aborder
l'effet indirect des aérosols soufrés ;
- une étude exhaustive de l'ensemble de la circulation de la
mousson
d'hiver, importante pour la connaissance précise du
transport horizontal
à grande échelle et du mélange vertical des
masses
d'air (structure 3D et variabilité de la zone de convergence
intertropicale,
variabilité rapide de la convection profonde).
Ces études ont commencé sur les données
satellitales
déjà disponibles, notamment celles d'INSAT et des
satellites
opérationnels à défilement. Elles sont
menées
en étroite collaboration avec les équipes de
modélisation,
qui utilisent, en particulier, le nouveau modèle de circulation
générale LMD-Z zoomé sur l'océan
Indien. L'interaction
modèle-données satellitales-analyses (Florida State
University)
permettra à la fois de valider le modèle et de le
contraindre
par les observations des systèmes convectifs de la zone de
convergence
intertropicale. Une autre validation ou contrainte du modèle
sera
fournie par les trajectoires des ballons de couche limite
lancés
depuis Goa avec le concours et le soutien financier du CNES. Enfin,
les
mesures satellitales seront complétées par les
mesures de
vapeur d'eau, de rayonnement, de structure nuageuse et de taille
des gouttes
apportées par les vols du Mystère 20/INSU. L'ensemble de
ces actions doit aboutir à une connaissance fine de la
dynamique,
de la nébulosité et du rayonnement qui sera
particulièrement
utile à la composante PNCA du projet.
Interactions aérosols-rayonnement
La contribution de la France aux recherches sur les interactions
aérosols-rayonnement
combine les observations intensives (mi-janvier à mi-mars)
s’insère
dans l’ensemble du dispositif expérimental INDOEX, en
incluant:
- la caractérisation physique et chimique des
aérosols continentaux
sur le plateau indien,
- l’étude du mélange avec les aérosols
marins
au niveau de la côte indienne,
- la détermination des propriétés optiques et
granulométriques
des aérosols,
- l’étude leur répartition 3D à grande
échelle
avec le lidar LEANDRE à bord d’un Mystère 20
spécialement
instrumenté et mis à la disposition par de
l’INSU et
du CNES par l’IGN,
- le suivi des masses d'air continentales à l'aide du
radon-222,
- l’analyse des concentrations en carbone organique et carbone
suie
sur l'ensemble des sites et plateformes instrumentées.
L’intégration de l’ensemble des mesures
effectuées
durant la campagne intensive bénéficiera d’une
modélisation
tridimensionnelle des bilans de masse et de l’impact radiatif des
différents types d’aérosols (sulfates,
carbonés,
marins et désertiques) présents dans la
région.
La participation française à INDOEX a été
soutenue par le Programme National d’Etude de la Dynamique du
Climat
(PNEDC). Elle relève maintenant du Programme national
d’étude
de l’Atmosphère et Océan à Moyenne
échelle
(PATOM) et du Programme de National de recherche sur la Chimie de
l’Atmosphère
(PNCA). La campagne 99 est principalement financée, pour ce qui
est de la contribution française, par le CNES et
L’INSU.
Un projet de Centre de Données Européen (EURINDO) a
été
présenté à l'Union Européenne dans le
cadre
du programme ENRICH. Ce centre de données sera le pendant
européen
des centres de données INDOEX américain et indien en
cours
de constitution.
2) Calendrier
des moyens nationaux mis en œuvre
Instrumentations à bord d’avions et de ballons
- 28 ballons météorologiques dérivants
à 925
hPa seront lâchés à Goa entre le 15 janvier et le
19 mars;
- Mystère 20 équipé du lidar LEANDRE, basé
aux Maldives, 25 février au 15 mars.
L’arrivée du Mystère 20 est prévue le 25
février
par les Emirats Arabes, retour le 15 mars. Le plan de vol
prévus
pour répondre aux objectifs est le suivant:
- en cas de panache de poussières désertiques 1 vol
AR à
partir de Seeb (sud est de Dubai) au-dessus de la Mer d’Arabie;
-1 transect Seeb-Bombay puis 1 autre Bombay-Malé
; (nord et ouest
des côtes indiennes);
-3 vols AR à partir de Malé vers le sous continent
indien;
-3 vols AR à partir de Malé vers le sud et les
Seychelles;
-2 vols retour Malé-Bombay-Seeb.
Soit 10 vols (30 heures) + transits AR Paris-Seeb (2x10 heures) :
total
estimé 50 heures
Observations satellites
- Produits aérosols METEOSAT en temps réel;
- Analyses des observations spatiales METEOSAT, ScaRaB, TOVS, C.
Observations depuis le sol
- Stations de mesures optiques et radiatives aux Maldives ,15 janvier
au 25 mars;
- Stations physico-chimie en Inde (Goa et Dharwar), 15 fév
au 25
mars.
- Participation aux mesures d’aérosols à
l’Observatoire
de Kaashidhoo, Maldives, 15 janvier-25 mars;
- Observatoire de la Réunion : sondages lidar, mesures
physico-chimiques,
janvier-avril;
- Réseau de photomètres (Goa, Dharwar, Maldives,
Réunion),
mi-décembre à avril.
Navires océanographiques
- Participation aux mesures physico-chimiques sur le navire indien
Sagar
Kanya (rayonnement, précipitations, vapeur d’eau), 20
janvier-6
mars;
Modélisation
- Modèle LMD-ZT (dynamique de grande échelle,
aérosols
troposphériques et chimie de soufre);
- Modèle méso-échelle RAMS (micro-physique,
aérosols,
chimie aqueuse).
3) Laboratoires
français impliqués
CNES/Division Ballons,
INSU-CNRS/Division Technique,
Laboratoire de Météorologie Physique, LAMP
(CNRS-Université
de Clermont-Ferrand)
Laboratoire Inter-universitaire des Systèmes
Atmosphériques,
LISA (CNRS-Universités Paris7 et Paris 12)
Laboratoire de Météorologie Dynamique, IPSL-LMD
(CNRS/Université
Pierre et Marie Curie- Université Versailles St Quentin) -
Paris/Palaiseau
Laboratoire d’optique atmosphérique, LOA
(CNRS/Université
de Lille)
Laboratoire de Physique Atmosphérique, (Université de la
Réunion)
Laboratoire des Sciences du Climat, IPSL-LSCE (CNRS/Université
Pierre et Marie Curie- Université Versailles St Quentin) -
Gif-sur-Yvette
Service d’Aéronomie, IPSL-SA (CNRS/Université
Pierre
et Marie Curie - Université Versailles St Quentin)
II
- L'étude de la dynamique des masses d'air
pendant
INDOEX
,1)
Suivre
les masses d’air par lâchers de ballons
L'étude des relations
aérosols-chimie-rayonnement-climat
au-dessus de l'océan Indien durant la mousson de nord-est
demande
une connaissance précise des processus de transport et de
diffusion
des masses d'air.
L'objectif de ce volet est d'obtenir des informations directes sur le
champ de vent dans les basses couches au-dessus de la mer d'Arabie, et
sur les trajectoires des masses d'air polluées issues du
sous-continent
Indien.
Pendant la phase intensive d'INDOEX, les masses d'air pollué
seront
suivies par un ensemble de ballons surpressurisés
dérivant
dans la couche limite. Ces ballons sont munis d'une instrumentation
physique
légère (pression, température et humidité)
et d'un récepteur GPS donnant tous les quarts d'heure une
localisation
précise . Les données sont transmises via le
système
ARGOS ; l'énergie à bord est fournie par des piles au
lithium.
L'altitude nominale des ballons a été fixée
à
900 hPa, qui garantit a priori les meilleures chances d'être
dans
le panache pollué, situé normalement au-dessus de la
couche
limite marine. Goa a été sélectionné comme
lieu de lâchers car cet endroit est dans l'axe du panache
indiqué
par les observations satellitales et par les résultats des deux
campagnes préliminaires du navire océanographique Sagar
Kanya. D'autre part, ce site bénéficie de conditions
particulièrement
favorables, avec le soutien logistique du National Institute of
Oceanography.
Les lâchers ont lieu depuis le campus de l'Université,
situé
au bord de la mer.
28 ballons seront lâchés pendant la campagne INDOEX
proprement
dite. Ces lâchers se feront en liaison avec le service local de
l'India Meteorological Department, pour ce qui est de la situation
météorologique
à grande échelle. Ils ont lieu au moment de
l'établissement
de la brise de terre, c'est à dire vers 4 h du matin.
2) Modéliser la dynamique
atmosphérique
de grande échelle au-dessus de l'océan Indien
La modélisation de grande échelle est un
élément
capital de l'expérience INDOEX, l'aller et retour
données-modèle
servant à la fois à l’intégration des
diverses
données et à la validation du modèle.
Contrairement
à la mousson indienne d'été, intensivement
étudiée
entre autres au LMD depuis des années, la mousson d'hiver ou de
nord-est au-dessus de l'Océan Indien n'a pas jusqu'à
présent
fait l'objet d'études particulières. INDOEX est
l'occasion
de développer ce type d'études. Les principaux objectifs
sont les suivants :
- Compréhension de la dynamique de la zone de convergence
intertropicale
(variabilité, organisation des tourbillons, mélange des
masses d'air) ;
- Préparation de la modélisation du couplage entre la
dynamique
et la chimie grâce à une simulation réaliste de
l'écoulement.
3) Suivre la dynamique atmosphérique par
satellites
Outre son intérêt pour l'étude des aérosols
et du transport d'espèces chimiques, la région de
l'océan
Indien représente un site exceptionnel pour l'étude
de la
convection des systèmes nuageux et de leur interaction avec la
vapeur d'eau. Ces études sont cruciales pour les transports de
polluants mais également pour la compréhension des
processus
qui régissent la variabilité et la sensibilité du
climat.
Sur proposition des chercheurs français, EUMETSAT a
accepté
de déplacer METEOSAT-5 au-dessus de la mer d'Arabie
(à 65deg.E)
au printemps 1998. Ce sera la première fois que des
données
de satellite géostationnaire opérationnels (radiances
visible,
infrarouge, humidité dans les hautes couches
atmosphériques,
vents, nuages et vapeur d'eau, couverture nuageuse, SST etc.) sur
cette
zone seront accessibles intégralement aux scientifiques. En
effet,
pour des raisons politiques, les données du satellite
géostationnaire
indien INSAT n'ont jamais été distribuées,
à
l'exception de quelques mois de données dans le cadre de la
préparation
du projet INDOEX.
Etude thermodynamique et radiative des nuages bas
Du fait de leur grande étendue spatiale, de leur
persistance
et de leur fort pouvoir réfléchissant (albedo), les
nuages
de couche limite marine (stratus, stratocumulus, cumulus
d'alizés)
ont un rôle climatique considérable.
Régionalement,
ils influencent fortement les échanges de chaleur entre
l'océan
et l'atmosphère et ont, par conséquent, un fort
impact sur
la température de surface de la mer. L'incapacité de la
plupart des modèles de circulation générale
actuels
à simuler correctement ces nuages s'avère être un
obstacle majeur pour la réalisation de simulations
couplées
océan-atmosphère. Les nuages de couche limite
contribuent
également à l'albedo planétaire et donc à
l'équilibre global radiatif de la planète. Notre
connaissance
du rôle climatique de ces nuages présente encore de
nombreuses
zones d'ombre. Tout d'abord, la description de la distribution
spatiale
de ces nuages est incomplète, notamment au-dessus de
l'océan
Indien. Ensuite, les conditions thermodynamiques et dynamiques de
grande
échelle favorables à la formation de ces nuages sont
encore
mal connues, particulièrement au-dessus des océans
tropicaux.
Il en résulte que le rôle des nuages bas dans la
variabilité
naturelle du climat et dans un éventuel changement
climatique à
long terme est très délicat à prévoir.
Enfin,
les nuages bas sont supposés être particulièrement
sensibles à la pollution d'origine anthropique, mais cette
sensibilité
n'a pas encore été quantifiée à partir
d'observations.
Les objectifs dans le cadre d’INDOEX sont donc:
- La détermination des régions de l’océan
Indien
couvertes de nuages bas à partir des données visibles et
infrarouge des satellites géostationnaires.
- L' étude des conditions thermodynamiques (température,
humidité) et dynamiques associées à la formation
des nuages bas par comparaison des données recueillies par
satellites,
ballons et avions.
- L'étude de l'effet indirect des aérosols sur les
propriétés
rétroactives des nuages bas
Une étude préliminaire a montré que les nuages
bas
sont systématiquement plus brillants dans
l'hémisphere Nord
(très pollué) que dans l'hémisphère Sud
(relativement
pur). Afin de pouvoir conclure éventuellement à la mise
en évidence observationnelle à grande échelle de
l'effet indirect des aérosols, il faut s’assurer que
cet effet
n'est pas dû à des différences de contenu en
eau liquide
des nuages, ni a l'effet radiatif des aérosols entre les nuages
ou au-dessus. Dans le cadre du projet INDOEX, la trace de l'effet
indirect
des aérosols sur les nuages de couche limite au-dessus de
l'océan
Indien sera étudiée en comparant la
réflectivité
des nuages bas dans les régions relativement pures et peu
chargées
en aérosols (essentiellement au-dessus de l'océan
austral)
et dans les régions fortement polluées, (essentiellement
au Nord de la zone de convergence intertropicale, où l'air
provient
du continent sud-est asiatique). Ce travail repose sur la
détection
par satellites des régions couvertes de nuages bas
(Géostationnaire),
et sur l'utilisation de données de bilan radiatif au sommet de
l'atmosphère fournies par l’instrument SCARBAB.
Analyse des fluctuations rapides de la convection
La mousson s'accompagne d'une convection importante, qui
présente
une forte variabilité à courte échelle de
temps (de
l'ordre de la journée). Ces variations conditionnent, dans une
large mesure, la distribution des variables climatiques tropicales,
telles
que les précipitations, les flux d'humidité et
d'énergie,
les vents. Un des atouts d'INDOEX, par la
complémentarité
des mesures disponibles, sera d'offrir la possibilité
d'étudier
l'environnement des systèmes convectifs grâce à
l’utilisation
en parallèle des données satellitales et des simulations
réalisées avec le modèle LMDZ
"zoomé"
sur l'équateur à la longitude de la Mer d'Arabie.
Analyse de la structure tridimensionnelle de la zone de
convergence
intertropicale
Les données des satellites géostationnaires
permettent
d'analyser la structure générale et la position de la
zone
de convergence intertropicale. Associées à des
mesures d'autres
satellites (TRMM/TOVS/METEOSAT), elles permettront des analyses
plus fines
sur la structure tridimentionnelle des sytèmes convectifs et de
leur environnement, et sur leur évolution.
Etude de la variabilité diurne, interdiurne et
intra-saisonnière
de la convection atmosphérique profonde
La convection profonde constitue un mécanisme fondamental
d'interaction
entre l'atmosphère et l'océan : les conditions
thermodynamiques
et dynamiques à la surface de l'océan déterminent
l'activation de la convection, et sont modifiées en retour par
la convection, au travers notamment de processus radiatifs liés
à la nébulosité, et par l'intermédiaire de
courants subsidents intenses (pilotés par l'évaporation
des précipitations) qui modifient les flux de surface et
tendent
a inhiber la convection. L'analyse de la variabilité et de
l'organisation
de la convection profonde est une voie vers la compréhension de
ces mécanismes.
La connaissance de la variabilité rapide de la convection
au-dessus
de l'océan Indien s'est heurtée jusqu'à
présent
à l'absence de données geostationnaires sur la
région.
Dans le cadre du projet INDOEX, on dispose de 5 ans de données
de radiances visible et infrarouge du satellite INSAT (le
géostationnaire
Indien) pendant la mousson d'hiver (Janvier-Avril) et des
données
du satellite METEOSAT-5 en orbite au-dessus de l'océan
Indien depuis
juin 1998. L’objectif est d'analyser ces données en
synergie
avec les analyses météorologiques de Krishnamurti
pour documenter
la variabilité de la convection profonde au-dessus de
l'océan
Indien à différentes échelles de temps et
d'espace
: variations diurnes, inter-diurnes, intra-saisonnières.
4) Etude de la circulation tropicale à
grande
échelle
La circulation à grande échelle détermine en
partie les climats régionaux dans les basses latitudes
(régimes
de mousson, convection tropicale, déserts,..). Elle permet
le transport
sur de grandes distances de masses d'air polluées ou non, et
à
ce titre, son étude est au coeur de la problématique
d'INDOEX.
Les caractéristiques de la mousson d'hiver et sa
variabilité
sont peu connues au-dessus de l'océan Indien. Certaines
anomalies,
telles que des "breaks" dans la zone de convergence, doivent
être documentées et analysées à l'aide
d'observations.
D'autre part, la circulation générale permet la
redistribution
de l'énergie et de l'humidité à partir de la zone
de convergence intertropicale. Les variations de la circulation zonale
et méridienne influencent largement l'occurence d'anomalies des
climats régionaux (sécheresses, inondations,
décalage
du déclenchement de la mousson...), ainsi que les
téléconnections
entre différentes régions tropicales.
L'expérience
INDOEX, par les différentes observations satellites mis en
oeuvre,
est un cadre privilégié pour approfondir notre
connaissance
de ces phénomènes.
Climatologie de la mousson d'hiver
Il s'agira d'établir une climatologie relativement
complète
des grandeurs hydrologiques, radiatives et dynamiques au-dessus de
l'océan
Indien pendant la mousson d'hiver. Cela sera réalisé en
utilisant les données de divers satellites dont les
données
SCARAB de flux radiatifs à la surface de l'océan.
Cette synthèse de la climatologie et de la
variabilité temporelle
de la mousson d'hiver permettra de valider la climatologie du
modèle
LMDZ zoomé sur l'océan Indien. Elle servira
également
de support à l'interprétation des données
récoltées
pendant les campagnes INDOEX.
Etude de circulation tropicale de grande échelle à
partir
de la distribution spatio-temporelle de la vapeur d'eau
La vapeur d'eau atmosphérique dans la moyenne et haute
atmosphère
peut être considérée comme un traceur des
masses d'air
d'altitude. Plusieurs études ont montré la
capacité
des canaux "vapeur d'eau" des satellites à identifier
les zones de subsidence de la circulation à grande
échelle.
La disponibilité, à partir de juin 98 de Meteosat 5, sur
l'Océan Indien, permet d'étudier la variabilité saisonnière
de l'intensité et des positions des régi
ons de subsidence
en liaison avec l'activité de la mousson. D'autre part,
l'injection
d'humidité par la convection dans les hautes couches de la
troposphére
est un problème majeur qui introduit de grandes incertitudes
sur
l'influence de la vapeur d'eau sur l'effet de serre. La
disponibilité
de plusieurs satellites dont les capteurs sont sensibles à
l'humidité
(Meteosat, TOVS, SSMI) permettra de s'intéresser à ce
problème.
Trajectographie satellite des écoulements
atmosphériques
dans les basses couches
Le LMD a développé une technique de reconstitution
de trajectoires à partir du suivi continu du mouvement des
nuages.
Les trajectoires obtenues sont comparées d'une part aux
trajectoires
des ballons basses couches, d'autre part aux trajectoires
simulées
dans différents modèles utilisés dans le cadre
d'INDOEX.
Ces comparaisons permettront de déterminer les méthodes
les mieux appropriées pour étudier, sur l'ensemble de la
zone et de la période INDOEX, les flux atmosphériques
dans
les basses couches. Ceci est essentiel en particulier pour
préciser
le trajet des masses d'aérosols (sans pouvoir tenir compte
toutefois
de la diffusion verticale). Cette trajectographie sera
également
un moyen de valider la dynamique simulée par le
modèle LMDZ.
III
- Les aérosols durant
INDOEX
1) La distribution tridimensionnelle des
aérosols
et les interactions aérosols-nuages-rayonnement-photochimie
La contribution des aérosols troposphériques
naturels
et anthropiques au bilan radiatif régional et à sa
variabilité
se subdivise entre les effets directs sur le rayonnement, qui
dépendent
des caractéristiques optiques et géométriques des
couches d'aérosols, et les effets indirects associés
à
la modification de la couverture nuageuse par leur présence
(rayon
effectif des gouttelettes et par voie de conséquence l'albedo).
De manière générale, l'océan indien en
hiver
est caractérisé par un fort gradient nord-sud de la
distribution
en aérosols résultant de l'advection de masses d'air
pollués,
en provenance du sous continent Indien, vers la zone de convergence
inter
tropicale et le mélange qui en résulte avec des
masses d'air
pures d'origine maritime.
Un objectif premier d'INDOEX est de documenter de manière
précise
la distribution spatiale des aérosols pour des situations
météorologiques
caractéristiques de la mousson d'hiver . Le but est de
déterminer
les paramétres à prendre en compte pour
représenter
les aérosols dans les modèles de circulation
générale
ou régionale et de valider ces représentations. En
effet,
les progrès en modélisation ont montré qu'il
reste
beaucoup trop d'incertitudes sur les distributions des
aérosols,
ainsi que sur leurs propriétés optiques et thermodynamiques.
Deux approches complémentaires et indissocia
bles sont poursuivies
dans le cadre d'INDOEX. Ce sont, d'une part l'appréhension des
phénomènes de grande échelle au moyen des
données
satellitales (grande couverture spatiale mais limitation de la
résolution
verticale), et d'autre part des descriptions détaillées
par avion ou bateau (précision verticale mais limitation
dans le
temps et éventuellement limitation à des transects
bidimensionnels),
et des séries temporelles enregistrées sur des sites
instrumentés
(limitées dans l'espace à des séries
ponctuelles).
Interaction nuages/aérosols/rayonnement
Il s'agit de déterminer le gradient vertical des flux
radiatifs
dans le visible et dans l'infrarouge (au moyen des
différents avions
Mystère 20, C-130 et Citation), de mesurer les flux
radiatifs à
la surface (par le Sagar Kanya et les sites instrumentés) et
les
flux radiatifs au sommet de l'atmosphère (par les satellites
NOAA-12
et 14 et Scarab/Resurs).
Il faut rappeler que la concentration en noyaux de condensation
modifie
la distribution en taille des gouttelettes nuageuses, pour un
même
contenu en eau liquide, une concentration accrue en noyaux de
condensation
conduira à des gouttelettes plus petites et plus nombreuses.
Ceci
est particulièrement sensible au-dessus des océans
là
où la concentration en noyaux de condensation est
généralement
plus faible qu'au-dessus des continents. Cette modification de la
micro-physique
entraîne une augmentation de l'albédo.
Redistribution des aérosols par la zone de convergence
intertropicale
Les aérosols advectés du continent indien vers
la zone
de convergence intertropicale sont pris dans la circulation
rotationnelle
et ascendante/descendante au voisinage de celle-ci, et
redistribués
spatialement, en particulier suivant l'altitude. Les
aérosols ainsi
injectés à haute altitude pourront être
observés
directement par le lidar. Il en est de même pour les
aérosols
stratosphériques. Les variations à moyenne
échelle
des propriétés optiques, c.a.d. les concentrations en
aérosols,
devraient être une signature de la dynamique. Les mesures in
situ
d'ozone, de vapeur d'eau et de noyaux de condensation permettront
de mieux
caractériser ces variations.
Par ailleurs, les aérosols injectés dans la haute
troposphère
peuvent, selon leur nature chimique, servir de noyaux de
congélation
pour la formation de nuages de glace et en particulier des cirrus. Il
en est de même des aérosols stratosphériques. Les
cirrus dans leur phase terminale après sédimentation et
évaporation des cristaux devraient laisser une signature en
aérosols
représentative de la dynamique et des échanges entre la
troposphère et la stratosphère. Les mesures lidar
permettront
d'identifier les signatures des aérosols résiduels et
les
variations de concentration vis-à-vis des aérosols de
fond
dans la stratosphère.
Distribution des aérosols et gradients nord-sud
Certains vols du Mystère 20 permettront des
échantillonnages
bi-dimensionnels précis ( profils verticaux depuis la
surface jusqu'à
une altitude voisine de 25 km) qui contribueront à
documenter la
distribution verticale des aérosols, mais aussi celles des
nuages
(Cu, Sc, Ci, ..) en synergie avec les autres observations.
Les expériences ASTEX et ACE-2 auxquelles a participé le
lidar LEANDRE sur l'ARAT, ont montré que les aérosols
d'origine
continentale se déplaçaient en couches bien
marquées
jusqu'à des altitudes de 2 et 3,5 km, c.a.d. au-dessus de la
couche
limite marine. Les aérosols continentaux sont
soulevés par
un phénomène de brise de mer, puis advectés
sur l'océan.
Les mécanismes de soulèvement seront
étudiés
pour mieux comprendre les sources et l'alimentation en
aérosols,
en synergie avec l'activité de modélisation.
Le projet coordonné du PNCA Interactions Aérosols-Climat
a pour objectif un bilan de la contribution des différents
types
d'aérosolsà l'échelle du bassin. Il
nécessite
l'utilisation de la modélisation 3D, contrainte par les
observations.
Les tests effectués au LSCE sur plusieurs schémas de
lessivage
des aérosols indiquent que la connaissance de la
répartition
verticale des aérosols est indispensable. Les mesures lidar et
radiomètres à bord du Mystère 20 suivant les
différents
transects, et les mesures coordonnées entre les avions
(Mystère
20, C-130,Citation) répondent directement à cet
objectif.
D’autres vols du Mystère 20 seront dirigés vers le
sous-continent indien à partir de Malé pour
établir
une cartographie détaillée des panaches de pollution
issus
des côtes de l'Inde (sources) qui se déploient du
coté
nord de la zone de convergence inter tropicale. Les plans de vols
seront
établis en concertation étroite avec les autres
avions participant
à l'expérience qui emporteront une instrumentation
complémentaire
de celle du Mystère 20 (dont un lidar identique à
LEANDRE
à bord du C-130) et avec l’appui d’observations
satellitales
des aérosols, analysées en temps réel. De la
même
manière, des vols seront effectués à partir
des Maldives
vers le Sud pour l’analyse des régions proches de la zone
de convergence intertropicale. Enfin, un vol sera conduit dans la
mesure
du possible au sud de la zone de convergence pour caractériser
le contenu en aérosols des masses d'air supposées
"propres"
de l’hémisphère sud.
2) Effets radiatifs des aérosols
troposphériques
naturels et anthropiques
Le mélange complexe d'aérosols rencontré en
mousson d'hiver au-dessus de l'Océan Indien comprend :
- des poussières minérales terrigènes (dont
les sources
sont aussi modifiées par l'homme);
- des aérosols organiques secondaires produits par
conversion de
composés carbonés gazeux émis par la
végétation;
- des aérosols de combustion de la biomasse
végétale
(dont feux agricoles, feux domestiques);
- les aérosols (carbonés et soufrés) issus de la
combustion de fuels fossiles;
- les aérosols marins primaires (sels marins) ou
biogéniques
secondaires (organiques soufrés).
Les trois premiers types d'aérosols ont une saisonalité
marquée et leur source est plus intense en saison sèche,
période de l'expérimentation intensive.
Durant INDOEX, les
conditions
seront réunies pour apprécier en ciel clair l'impact
radiatif
direct des particules anthropiques et leur part absorbante (suie et
terrigènes)
et diffusante. Les outils mis en oeuvre permettront d'explorer les
problèmes
scientifiques concernant l'impact des émissions locales
anthropiques
de l'Inde et des pays avoisinants sur la composition chimique de
l'atmosphère
et son bilan radiatif au-dessus de l'Océan Indien, leur impact
également sur la capacité oxydante globale de
l'atmosphère.
En zone de stratocumulus à caractère
non-précipitants,
les aérosols sont vraisemblablement impliqués dans de
nombreux
cycles évaporation-condensation menant à des particules
mixtes (hétérogènes). Si à la suite de ces
processus, les particules sont, comme on le pense, majoritairement
constituées
d'un noyau insoluble recouvert en surface d'une pellicule de sulfate,
leurs propriétés optiques mais aussi leur nombre sont
différents
de ceux du mélange d'aérosols homogènes, et ceci
a de nombreuses conséquences sur les prévisions d'impact
radiatif des particules anthropiques.
Une partie des études françaises sur les aérosols
dans le programme INDOEX est focalisée sur le traçage
des
masses d'air continentales au sol et en altitude à l'aide du
radon-222,
l'analyse des concentrations en carbone organique et carbone suie sur
l'ensemble des sites et plateformes instrumentées,
l'étude
des mélanges internes de particules et de leur formation au
cours
du transport des masses d'air continentales en milieu
océanique,
la détermination des propriétés optiques et
granulométriques
des aérosols, et de leur répartition 3D à grande
échelle. Elle combine des observations de terrain, de la
télédétection
spatiale et des observati0ns aéroportées. Enfin elle est
complétée par des actions de modélisation pour
lesquelles
l'ensemble de ces observations seront des contraintes
essentielles.
Variabilité
des aérosols
tropicaux à la Réunion
La Réunion est une zone motrice de la dynamique
atmosphérique
globale. Par son relief exceptionnel (point culminant > 3000 m),
elle
permet des observations à la fois dans la couche limite marine
mais aussi au-dessus grâce à des sites en altitude. Le
caractère
océanique de cette région, avec la présence
d'aérosols
d'origine marine, l'influence variable des aérosols venant des
feux de brousse africains, la concentration importante en vapeur
d'eau,
la formation de nuages spécifiques, les séquences
climatiques
régulières liées au déplacement de la zone
de convergence atmosphérique intertropicale, lui
confèrent
un statut original pour la chimie atmosphérique. La
Réunion
a été sélectionnée comme site INDOEX de
base
pour l'hémisphère Sud.
Caractérisation et évolution physico-chimique des
aérosols
carbonés et minéraux durant INDOEX
Dans la région d'INDOEX, le carbone organique
représente,
d'après des mesures de terrain préliminaires, entre
30 et
40 % de la masse totale d'aérosol. L'objectif est de relier la
composition chimique des aérosols, leur taille, morphologie et
état de surface à leur histoire dans l'atmosphère
: source, transport, incorporation dans les systèmes
nuageux, état
du mélange; dans le but d'élaborer des modèles
d'évolution
des particules afin de prédire leur comportement chimique
(déterminé
en grande partie par leur pellicule de surface) leur
activité de
noyaux de condensation (liée elle-aussi à la
qualité
hydrophile du revêtement et dans une moindre mesure à la
taille des particules) et leurs nouvelles propriétés
optiques
(les coefficients de diffusion et d'absorption sont fortement
modifiés
par la présence d'un revêtement de surface). Pour
cela, le
plan de recherche portera plus spécifiquement sur les points
suivants
:
L'évaluation de l'intensité de ces différentes
sources
(combustions industrielles et les différentes sources de
brûlage
de la biomasse végétale : feux de forêt, feux
agricoles
et domestiques).
L'évolution physico-chimique des aérosols au cours
de leur transport atmosphérique : importance
relative du
carbone suie dans l'aérosol carboné du fait de sa
spécificité
d'absorbant de la lumière à l'inverse des autres
constituants
de l'aérosol ; teneurs en sulfate et carbone organique ;
distribution
granulométrique des aérosols et de leur composition
chimique
; spéciation des espèces organiques particulaires
généralement
situées en surface des aérosols afin de
prévoir la
réactivité de ces aérosols vis-à-vis
des oxydants
atmosphériques, et d'autre part leur capacité
à agir
en tant que noyaux de condensation ; observations de particules
individuelles
par microscopie électronique à transmission au LISA.
Interactions aérosols-nuages
Lorsque les aérosols de combustion sont incorporés
aux cycles
évaporation-condensation des nuages, leur forme change (ils
deviennent
plus sphériques), ainsi que leur taille et la composition
chimique
de leur revêtement de surface. Par vieillissement, les
aérosols
carbonés grossissent et acquièrent un
revêtement de
surface oxydé, propriétés qui facilitent leur
comportement
de noyaux de condensation. Les pluies étant le mode
principal de
disparition des aérosols, il est nécessaire
d'étudier
l'abondance et les propiétés intrinsèques des
particules
de suie dans les pluies en relation avec le contenu en eau des nuages,
ainsi que le contenu de la phase dissoute.
Modélisation de l'impact atmosphérique
régional
des aérosols de combustion
A terme, les données de concentration d'aérosol
carbone-suie
permettront pour cette région, un contrôle des
modèles
3-D de circulation générale. L'impact des
aérosols
organiques de combustion sera particulièrement
étudié.
Propriétés radiatives et physiques et distribution
spatiale
des aérosols pendant INDOEX
Il s'agit de déterminer les propriétés optiques,
radiatives et physiques des aérosols et de spatialiser les
résultats
précis, obtenus localement par des mesures sols, grâce
à
l'imagerie satellitaire dans le spectre solaire. L'étude est
donc
basée sur l'utilisation de données de
télédétection
acquises depuis le sol et l'espace.
A partir de mesures au sol de luminance du soleil et du ciel
effectuée
à l'aide de la station optique, on détermine les
propriétés
radiatives des aérosols qui conditionnent le signe
(réchauffement
ou refroidissement) et l'ampleur de leur effet direct sur le
rayonnement,
ainsi que leurs propriétés physiques,
caractéristiques
de la nature de ces aérosols (granulométrie et indice de
réfraction ).
Sources des poussières minérales sur la zone
INDOEX
Les aérosols minéraux issus des zones arides et
semi-arides
sont les plus abondants et il est nécessaire de les prendre en
compte dans les estimations du forçage radiatif des
aérosols
troposphériques. L'intensité de leurs
émissions et
de leur transport à grande distance varie fortement d'une
année
à l'autre en fonction des conditions climatiques. La zone
INDOEX
se trouve sous l'influence des zones arides et semi-arides de la
Péninsule
arabique, du Moyen-Orient et du sous-continent. Les bilans de
concentration
et d'effets radiatifs des aérosols nécessitent donc
la prise
en compte des aérosols minéraux. Les
modélisations
3D du cycle des aérosols désertiques
effectuées par
le passé ont achoppé sur la mauvaise qualité des
sources. Un progrès considérable a été
fait
grâce à une nouvelle paramétrisation explicite des
flux de poussières minérales éoliennes
développée
et validée pour le Sahara par le LISA.
Les mesures satellitales, Météosat-5, TOMS, POLDER
permettront
grâce à une collaboration entre plusieurs laboratoires
(LSCE,
LOA, LISA) l'identification des régions source et la
description
de leur activité saisonnière ainsi que la validation du
modèle d'émission du LISA, selon une démarche
analogue
à ce qui a été fait avec les sources
sahariennes.
Interactions chimie-rayonnement climat liées au cycle du
soufre
et application à INDOEX
En dépit des progrès récents
réalisés
dans la simulation tri-dimensionnelle des aérosols, et
notamment
des aérosols soufrés, il persiste de grandes
incertitudes
dans la représentation des effets directs et indirects de
ces aérosols.
Ce manque de réalisme est dû en particulier à une
mauvaise prise en compte des interactions entre la chimie du soufre et
la météorologie.
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