ETIC : Etude de Transport et de l'Impact physico-Chimique des polluants sur l'Océan Indien

 

Porteur du projet : Jean-Luc BARAY (UMR 8105 - LACy)
Financement :
CNRS / LEFE-CHAT
Laboratoires partenaires : LATMOS (Paris), LSCE (Paris), LA (Toulouse) et IASB (Bruxelles)

Période : 2011 - 2013

Etat de l'art

 

ETIC (Etude du Transport et de l'Impact and physico-Chimique des polluants (Gaz et Aérosols) sur l'Océan Indien) est un projet qui a été co-financé par le programme LEFE-CHAT de 2011 à 2013. L'étude du transport des espèces polluantes (gaz et aérosols) dans l'atmosphère est un enjeu crucial dans le contexte des changements globaux. Les aérosols atmosphériques ont un fort impact sur les bilans thermodynamique et radiatif de la Terre et sont une des principales causes d’incertitudes sur le forçage anthropique et ses répercussions dans les modèles climatiques. Au niveau de l’Océan Indien la problématique de l’impact de l’aérosol atmosphérique sur le climat est reconnue depuis longtemps et était au coeur des expériences INDOEX dans les années 90.

La région Sud Ouest de l’Océan Indien est bien placée pour conduire des études sur les aérosols atmosphériques et leurs impacts régionaux en termes de pollution et climat car située sous le vent, en altitude, de nombreuses et importantes sources d’aérosols atmosphériques. L'impact de la pollution sur l'océan indien est un domaine d'étude historique du laboratoire également par le biais de l'analyse des mesures d'ozone qui y sont menées depuis le début des années 90. Les études antérieures conduites sur la climatologie de l’ozone dans les basses couches dans le cadre de la thèse de Gaëlle Clain avaient confirmé l’impact des sources africaines sur la teneur en ozone dans la troposphère au dessus de l’océan Indien.


Objectifs

 

L’objectif de ce projet était de documenter à l’échelle régionale les émissions, le transport et l’impact physico-chimique des polluants principalement issus du continent Africain et de Madagascar sur l’Océan Indien. Les émissions sont issues de la base de données développée au Laboratoire d’Aérologie.


Les axes majeurs du projet sont :

  • l’étude de mécanismes de transport qui déterminent la dispersion horizontale des panaches et leur transport vers l’est en altitude au dessus de la couche d’inversion des alizés et celle des mécanismes d’échanges verticaux et d’entraînement à travers cette couche d’inversion qui expliquent la contamination des basses couches observée à travers les analyses antérieures des traceurs de combustion effectuées à la Réunion
  • les études de processus qui gouvernent l’évolution physico-chimique des masses d’air polluées au cours de leur transport au dessus des zones océaniques

Pour réaliser les objectifs ci-dessus la démarche scientifique s’est appuyée :

  • sur un ensemble d’observation par télédétection ou in-situ disponible dans la zone et sur des campagnes de mesures spécifiques utilisant des navires océanographiques lors de missions dans le sud ouest de l’océan Indien ; ces données étant complétées par l’analyse des données spatiales disponibles
  • sur un important programme de modélisation numérique permettant d’analyser les processus de transport et les processus physico chimiques au sein des masses d’air polluées basé sur les modèles GIRAFE (Flexpart) et LACYTRAJ pour les processus de transport, et Meso-NH pour l’analyse détaillée de ces processus et des processus physico-chimiques

 

 

Résultats

 

L'analyse de nouvelles données et campagnes de mesure nous a permis d'élargir le cadre de l'étude à d'autre traceurs (monoxyde de carbone, aérosols) et dans le contexte régional avec l'analyse des données de campagne de mesures embarquées sur le navire Marion Dufresne dans l'Océan Indien, et de campagnes de mesures par radiosondages à Kerguelen.

Les résultats les plus significatifs de ce projet sont la mise en évidence d'une nouvelle voie de transport inter-hémisphérique depuis l'Asie du Sud-Est, la caractérisation des propriétés optiques d'un panache de feux et la mise en évidence d'un échange stratosphère-troposphère à Kerguelen, la première de ce type sur le courant-jet polaire de l'hémisphère sud.

Les distributions de CO observées à la Réunion par FTIR montrent un doublement des colonnes totales durant la saison des feux de biomasse de l'hémisphère Sud (Figure 1). Les analyses FLEXPART (Stohl et al., 1998) montrent que les sources principales sont l'Afrique (Juin-Aout) et l'Amérique du Sud (Septembre-Octobre). Une autre contribution potentielle est l'Asie du Sud Est et l'Indonésie-Malaisie principalement pour la haute troposphère en Juillet (Figure 2).

Figure 1 : Colonnes totales de CO (en molecules/cm²) obtenues à partir des mesures FTIR à l'université de la Réunion entre 2004 et 2011.

 

 

Figure 2 : Rétrotrajectoires obtenues avec le modèle LACYTRAJ illustrant un transport interhémisphérique en juillet 2007 en haute troposphère (200 hPa)

 

 

Des mesures d'aérosols par lidar et photomètre embarqués à bord du Marion Dufresne ont été effectuées dans l'Océan Indien en 2009. Une couche contenant un mélange d'aérosols de feux et marins a été observée de [31°S, 69°E] à [24°S, 59°E] jusqu'à l'altitude de 3 km (Figure 3). La valeur moyenne du rapport retrodiffision sur extinction était 0.039 ± 0.009 sr−1 pour la couche d'aérosols marins et 0.021 ± 0.006 sr−1 pour la couche mélangée. L'analyse GIRAFE (reGIonal ReAl time Fire plumEs) indique des origines Sud Américaine et Sud-Africaine pour cette couche d'aérosols de feux (Figure 4).

Figure 3 : Profils des coefficients d'extinction des aérosols du 19 Avril au 13 May 2009 dans le canal de Mozambique (gauche) et du 14 au16 Septembre 2009 entre la Reunion et Kerguelen (droite)

 

 

Figure 4 : Distribution des particules entre le 14 and 16 September, 2009 pour 7 jours de simulation GIRAFE. Les points noirs sont les pixels de feux détectés par MODIS et les croix noires indiques les positions du navire entre le 14 et le 16 Septembre, 2009 ([31°S, 69°E] and [24°S, 59°E]).

 

 

Nous avons analysé une campagne de mesure de 17 radiosondages effectués en 2008–2009 à Kerguelen, première campagne de ce type pour ce site. L'ozone troposphérique présente une grande variabilité en été austral (Décembre à Février) et en hiver austral (Juin à Septembre). Le niveau de fond de l'ozone troposphérique est plus élevé en hiver (entre 30 et 50 ppbv) qu'en été (entre 20 et 40 ppbv) (Figure 5)

Figure 5 : Profils de rapport de mélange d'ozone en hiver austral (Avril à Septembre 2008, gauche) et en été austral (Décembre 2008 à Février 2009, droite), obtenus par radiosondages à Kerguelen. Le profil moyen est en noir, et le radiosondage du 28 février, pour lequel un échange stratosphère-troposphère induit par le courant-jet polaire de l'hémisphère sud a été caractérisé, est en bleu

 

 

En utilisant les modélisations lagrangiennes, nous avons montré que l'augmentation du niveau de fond de l'ozone troposphérique en hiver pouvait être attribué, pour partie, au transport à grande distance des précurseurs d'ozone produits par les feux de biomasse d'Afrique et d'Amérique du Sud.

Ce jeu de données a également permis de mettre en évidence un cas d'instrusion dans la troposphère d'une masse d'air stratosphérique survenu le 28 Février 2009 à 6 km d'altitude (Figure 6), pour la première fois sur le courant jet polaire de l'hémisphère sud, à notre connaissance.

 

 

Figure 6 : Champ de vent horizontal ECMWF ERA-Interim 300 hPa – 28 Feb 2009 06UT et coupe verticale de vorticité potentielle advectée par RDF - 70°E – 28 Feb 2009 06UT illustrant respectivement la structure du courant jet polaire austral et l'intrusion stratosphérique dans la troposphère au dessus de Kerguelen.

 

 

Publications

 

1. Baray J.L., et al., One-year ozonesonde measurements at Kerguelen island (49.2°S, 70.1°E) : Influence of stratosphere-to-troposphere exchange and long range transport of biomass burning plumes, J. Geophys. Res., 117, D06305, doi:10.1029/2011JD016717, 2012.

2. Duflot V., et al., Analysis of the origin of distribution of CO in the subtropical southern Indian Ocean, J. Geophys. Res., 115, D22106, doi:10,1029/2010JD013994, 2010.

3. Duflot V., et al., Marine and biomass burning aerosols in the southern Indian Ocean: Retrieval of aerosol optical properties from shipborne lidar and Sun photometer measurements, J. Geophys. Res., 116, D18208, doi:10.1029/2011JD015839, 2011.