EQUIPE TROPOSPHERE

Composition de l'équipe :

Permanents : Soline BIELLI, Jérôme BRIOUDE, Jean-Pierre CAMMAS, Valentin DUFLOT, Stéphanie EVAN, Guillaume GUIMBRETIERE, Jimmy LECLAIR DE BELLEVUE, Françoise POSNY, Pierre TULET

Post-Doctorants :  Joris PIANEZZE, Hélène VEREMES

Etudiants en thèse : Brice FOUCART, Damien HERON, Bert VERREYKEN

Contexte

L’équipe Troposphère s’intéresse aux processus atmosphériques qui conditionnent la composition de la troposphère subtropicale en gaz trace réactifs, en gaz à effet de serre et en aérosols à l’ouest de l’océan Indien. Le premier enjeu concerne le rôle de la composition chimique atmosphérique sur l’évolution du climat en lien avec la capacité oxydante de l’atmosphère (programmes IGAC et NDACC). Un deuxième enjeu se focalise sur l’étude des aérosols pour leurs propriétés radiatives, CCN et IFN et leurs effets sur la physique des nuages et des précipitations (thématique transverse avec l’équipe Cyclones). Un troisième enjeu, plus restreint au contexte insulaire, tropical et volcanique, vise à étudier les circulations locales, la formation de nouvelles particules, l’oxydation des composés organiques volatils et la dispersion et la physico-chimie des panaches volcaniques.

Plus spécifiquement l’équipe troposphère se positionne sur trois thèmes scientifiques :

- Le premier thème scientifique de l’équipe porte sur la physico-chimie de l’interface entre la haute troposphère et la basse stratosphère (UTLS en anglais, « Upper Troposphere – Lower Stratosphere ») où l’ozone et la vapeur d’eau maximisent leurs propriétés de gaz à effet de serre sur l’évolution climatique. Ces deux espèces, ainsi que les aérosols présents dans l’UTLS, jouent un rôle dans le bilan radiatif de la Terre et contrôlent donc le climat. L’étude de l’UTLS tropicale, encore appelée TTL (Tropical Transition Layer, Flueglistaler et al., 2009), est complexifiée par la présence de nombreux mécanismes de transport mal établis et par des processus multiphasiques et microphysiques complexes et peu étudiés, mais qui influencent les concentrations de vapeur d’eau et d’ozone. Par exemple, la formation de cirrus dans la TTL joue un rôle important dans l’assèchement de la stratosphère. De même, la convection profonde peut affecter la composition chimique de l’UTLS. Ces deux phénomènes seront d’ailleurs l’objet du programme ANR CONCIRTO (2017-2020).

-Le deuxième thème scientifique de l’équipe porte sur le bilan physico chimique de la couche limite marine tropicale et de la troposphère libre du bassin de l’océan indien. A l’Observatoire du Maïdo, le cycle diurne constitué des brises thermiques et orographiques le jour et de la subsidence synoptique nocturne fait du site un lieu privilégié pour étudier la physico-chimie de la couche limite et de la troposphère libre. Les pentes boisées de l’île de La Réunion le long desquelles un mélange d’aérosols marins et organiques subissent quotidiennement un cycle de condensation-évaporation, constituent donc un laboratoire naturel très original de transformations physico-chimiques en milieu aqueux. Enfin, les éruptions du volcan du Piton de la Fournaise dans la couche limite et dans la troposphère libre fournissent le support d’étude d’une thématique interdisciplinaire développée au sein de l’OSU-Réunion et focalisée sur la chimie multiphasique du soufre dans le panache volcanique et sur ses interactions avec les précipitations et la phase aérosol.

- Le troisième thème scientifique de l’équipe «Troposphère» est celui de l’estimation des flux de gaz d’aérosols des sources marines et volcaniques. Le changement de la composition chimique de la basse troposphère est plus directement lié aux évolutions des émissions terrestres naturelles et anthropiques. Récemment, l’intérêt pour les émissions marines s’est tourné vers leurs impacts dans les réactions chimiques pouvant contribuer à l’évolution climatique (IPCC, 2007). Les émissions et les propriétés optiques, chimiques et CCN des aérosols marins sont au cœur des programmes SOLAS et IGAC. Leurs effets directs et indirects sont clairement établis et bien que ces aérosols marins représentent la première source mondiale de particules, ils sont encore aujourd'hui mal connus, notamment du fait du fort lien de leur composition chimique organique avec l'activité biologique des océans.

L'ensemble de ces thèmes de recherche s'appuie sur le positionnement stratégique de La Réunion en bordure de la ceinture tropicale, sur la localisation pertinente de l’observatoire du Maïdo, sur la montée en puissance du parc instrumental de l’OPAR et des bases de données associées, sur l'organisation de campagnes intensives, ainsi que sur l'utilisation et le développement d'outils de modélisation numériques (eulériens et lagrangiens) pour identifier, étudier et quantifier les processus de transport et de transformation physico-chimiques en jeu.

L’équipe coordonne également un volet instrumental d’observation. Cette instrumentation comprend des unités low-cost ultra-mobiles de caractérisation des gaz et aérosols qui pourront être déployées en réseau sol ou bien embarquée sur drone, ainsi que de l’instrumentation de pointe combinant technique LIDAR et spectroscopie dédiée à l’étude des panaches volcaniques (projet VULCA).

 Bilan 2013-2018

L'équipe Troposphère regroupe (au 01/06/2018) les personnels permanents suivants : trois MCF de l’UR, deux DR CNRS, deux CR CNRS, un phys.-adj. CNAP, et un IR CNRS BAP E à 50% (les autres 50% de cette IR étant sur l'équipe Cyclones). Durant les 5 dernières années, l'équipe a encadré huit stages de master, cinq thèses (deux soutenues, trois en cours) et deux post-docs.

43 publications scientifiques dans des revues de rang A ont été produites sur la période 01/2013-06/2018. De plus, on peut compter ~70 conférences internationales avec actes sur la période. Ces publications et conférences portent les thématiques de recherche de l'équipe évoquées plus haut et sont liées à des activités d'observations réalisées au sein de l'OPAR ou sur campagnes intensives, ainsi qu'à des travaux de modélisations utilisant principalement les modèles FLEXPART et Meso-NH.

L'équipe a porté trois projets LEFE (“MoPaV 2013-2015”, "VAPEURDO 2015-2018", “AEROMARINE 2018-2020”), deux ANR ("STRAP 2014-2018" et "CONCIRTO 2017-2021"), et quatre projets interdisciplinaires de la fédération OMNCG de l'OSU-R ("GPS", "FARCE", "ALEAVOLC", "CLEVER"). Elle est également impliquée dans trois projets H2020 (en tant que porteur de WP pour deux d'entre eux) en cours d'instruction ("EUNICE", "FILIA" et "Jules Verne"). A noter également le dépôt infructueux de quatre ANR sur la période 2013-2017, ainsi que le programme ANR BIO-MAIDO en cours d'évaluation (phase 2). L'équipe est également très impliqué dans la structuration nationale en terme d’observation pérenne via sa participation dans l’OPAR et sa contribution dans le NDACC, les SOERE ROSEA/ORAURE-ATMOS, dans l’IR ACTRIS-FR et dans le SNO CLAP.

Enfin l’équipe Troposphère est largement impliquée dans le programme ReNovRisk sur les risques intégrés associés aux cyclone tropicaux. Le coordinateur global et le responsable du programme ReNovRisk-Transfert sont membres de l’équipe “Troposphère”. Dans ReNovRisk, l’équipe se positionne sur les propriétés CCN et IFN des aérosols marins (couplage microphysique et études d’impacts) et sur l’observation atmosphérique par lidar et radio-sondages durant la campagne d’observation 2019 (ReNovRisk-Cyclones). Également dans le cadre de ReNovRisk-Transfert, l’équipe “Troposphère” est impliquée dans l’exploitation des données de l’OPAR pour la validation des modèles météorologiques et la fusion des données de précipitation pour l’alimentation des modèles hydrologiques.

L'équipe a organisé ou participé à 16 campagnes de mesures intensives sur la période 2013-2018. Parmi celles-ci, évoquons les campagnes "FARCE/MISTY" (interactions forêts-COV-aérosols-nuages), "STRAP" (composition et évolution du panache du Piton de la Fournaise), "MORGANE" (labélisation NDACC des lidars de l'OPAR) et "OCTAVE" (sources et variabilité des O-COV en atmosphère tropicale). Ces campagnes ont permis l'initiation ou le développement de fortes collaborations avec des laboratoires nationaux et internationaux (qui ont pu bénéficier du soutien des dispositifs TNA ACTRIS et ENVRI+) ; citons en particulier le LATMOS, le LA, le LaMP, l’IASB, le CNRM et la NOAA.

Quelques résultats et études en cours

Variabilité de la vapeur d’eau, mécanismes et processus de la composition de la haute troposphère tropicale

Participants principaux

S. Evan, J. Leclair de Bellevue, F. Posny, J-P. Cammas, H. Vérèmes, V. Duflot, D. Heron, E. Lees (LACy),  J.-L. Baray (LaMP), P. Keckhut (LATMOS), R. Dirksen (DWD/GRUAN Lead Centre), S. Meier (DWD/GRUAN Lead Centre), H. Vömel (NCAR), K. Rosenlof (NOAA), S. Davis (NOAA/CIRES).

Contexte scientifique

La vapeur d’eau est sans doute l’un des plus importants gaz à effet de serre et ses variations en haute troposphère jouent un rôle dans l’équilibre thermique de la planète (en piégeant le rayonnement infrarouge terrestre). Bien comprendre et quantifier les mécanismes régulant la vapeur d’eau en troposphère et plus particulièrement dans la haute troposphère tropicale est important pour les prévisions quant au futur du climat terrestre.

La convection contrôle en partie le transport de vapeur d’eau ainsi que d'autres constituants chimiques dans le système climatique (Sherwood et al., 2010). La convection tropicale transporte rapidement l’air de la couche limite vers les hautes altitudes. Cependant l’impact de la convection sur le contenu en vapeur d’eau troposphérique est encore très incertain. Dans les modèles climatiques, les biais associés aux phénomènes convectifs vont être source d'incertitudes dans la composition chimique troposphérique et le bilan radiatif terrestre. Or l'élargissement de la circulation d'Hadley lors du changement climatique (Seidel et al., 2008), la position de la zone de convergence intertropicale et la convection organisée (i.e. l'oscillation de Madden-Julian dans l'océan Indien) sont des phénomènes encore mal représentés dans les modèles climatiques (Bony et al., 2015). Dans l'hémisphère sud, le site de la Réunion (21°S, 55°E) est particulièrement adapté à l'étude de la composition chimique de la troposphère tropicale du fait de la position géographique et météorologique de l'île. Selon la saison de l'année, le site de la Réunion peut être sous l’influence de phénomènes tropicaux comme les cyclones.

1) Variabilité de la vapeur d’eau

Le contenu atmosphérique en vapeur d’eau reste une donnée fondamentale pour l’évolution du climat à l’échelle globale puisqu’elle représente 60% de l’effet de serre naturel en incluant l’effet des nuages. La variabilité climatique lui est aussi très fortement liée car sa répartition conditionne la convection profonde dans les tropiques et par conséquent les précipitations à des échelles multiples. Il s’agit également d’une source d’incertitude pour la prévision numérique du temps puisque les changements d’états de l’eau sont sources de non-linéarité dans les modèles et de divergence des solutions trouvées. Le sud de l’océan Indien est une des régions les moins pourvues en moyens d’observation atmosphérique et la technique de mesure GNSS de la colonne totale de vapeur d’eau a le double avantage d'être opérationnelle quelque soit le temps sensible (y compris en présence de nuages ou d’hydrométéores) et ce avec une résolution temporelle importante (horaire ici). Les phénomènes étudiés peuvent donc aller du cycle diurne à l’inter-annuel (El Nino, dipôle subtropical de l’océan Indien, par exemple).

Un des objectifs de la thèse de E. Lees (2016-2019) est de documenter la variabilité saisonnière du contenu intégré en vapeur d’eau (CIVE) dans la région océan Indien à partir d’observations GNSS. La saisonnalité est davantage marquée à mesure que l’on se déplace vers les hautes latitudes (Figure 1). Entre 5°S et 15°S sur océan, le CIVE est fort tout au long de l’année (~ 45 mm) avec un ratio de CIVE entre le mois le plus humide et le plus sec de l’ordre de 1,3 à 1,5. L’été austral correspond au passage de la zone de convergence intertropicale (ZCIT) centrée vers 10°S et engendre des valeurs de CIVE de l’ordre de 50 mm avec une dispersion relativement faible autour de la moyenne. L’influence de la subsidence subtropicale reste peu définie avec une saison sèche courte et peu marquée, l’extrême étant sur Singapour qui présente des valeurs voisines de 50 mm en toute saison et deux maxima saisonniers en avril et novembre.

L’influence subtropicale est plus sensible sur continent à partir de 10°S et sur océan à partir de 15°S avec un ratio max/min de 2 à 3. L’influence de la ZCIT reste sensible jusqu’à 15°S sur continent avec une saison sèche qui reste bien définie mais elle diminue sur océan où les distributions de CIVE sont beaucoup plus variables pendant l’été austral avec des valeurs conditionnées à la fois par la proximité de la ZCIT et la subsidence subtropicale.

Enfin aux latitudes subtropicales (20-30°S), la faible teneur en vapeur d’eau hivernale est beaucoup plus marquée à l’est du bassin qu’à l’ouest avec une saison sèche plus longue et avec des minima plus bas à altitude équivalente (13 mm à Karratha, 21°S, Australie occidentale, contre 18 mm à Richardson Bay, 29°S, Afrique du sud). L’influence humide estivale disparaît totalement au sud ouest de l’Australie puisque le maximum

Figure 1 : Moyenne climatologique mensuelle du contenu intégré en vapeur d’eau (mm) réalisée à partir de mesures GNSS pour un échantillon de stations de l’Océan Indien. Fréquence d'occurrence associée en couleur.

2) Échanges stratosphère-troposphère

La dynamique des courant-jets polaire et subtropical sur le sud-ouest de l’océan Indien conduit fréquemment à des échanges stratosphère – troposphère, en particulier à des intrusions stratosphériques irréversibles (Baray et al., 2003 ; Clain et al., 2009 ; Clain et al., 2010). Leur contribution au bilan de l’ozone troposphérique de ces régions n’est pas encore bien estimée à cause de la difficulté des modèles à reproduire le cycle de vie des intrusions qui se créent sous forme de couches isentropiques de seulement quelques centaines de mètres d’épaisseur. L’incertitude sur ce terme du bilan de l’ozone troposphérique en amène d’autres sur la capacité oxydante de la troposphère et sur la durée de vie des espèces chimiques. Lors de la campagne MALICCA-1 (MAïdo Lidar Calibration Campaign, avril 2013, La Réunion), un cas d’étude original avec des intrusions stratosphériques multiples a été documenté (Vérèmes et al., 2016) par une approche multi-méthodologique.

Des signatures d'intrusions stratosphériques ont été observées sur des observations quasi-simultanées et co-localisées d'ozone et de vapeur d'eau par deux lidars de l'observatoire du Maïdo le 4 avril 2013 (Figure 2). Les trois pics d'ozone (supérieurs à 90 ppbv à ~8, ~10 et ~13 km d'altitude) au sein d'une couche épaisse d'air sec suggèrent des processus d'intrusions stratosphériques avec plusieurs origines. Des rétro-trajectoires avec le modèle LACyTraj initialisées sur chaque pic d'ozone et calculées avec un modèle lagrangien sur des séries temporelles ERA-Interim permettent d'identifier leur origine stratosphérique. Le pic d'ozone avec l'altitude la plus basse est associé à un processus de foliation de tropopause du courant-jet polaire pendant la formation d'une dépression extratropicale. Les observations de vapeur d'eau du lidar de ce pic ont montré que l'anti-corrélation avec l'ozone n'existe plus, ce qui indique l’action dans le temps de processus de mélange. Les deux pics observés à plus haute altitude sont associés à la dynamique du courant-jet subtropical. Les rétrotrajectoires et les observations confirment leur origine stratosphérique (anti-corrélation ozone-vapeur d’eau).

Figure 2 : (a) : Profils lidar d'ozone du 4 (en rouge) et 2 avril 2013 (en orange), Observatoire du Maïdo. Profil moyen d'ozone pour un mois d'avril (en violet), calculé sur les radiosondages SHADOZ de la station de La Réunion entre 2007 et 2012. (b) : Profils de vapeur d'eau du 4 avril 2013, Observatoire du Maïdo; profils lidar à 16:35 UTC (en rouge), 17:03 UTC (en rose) et 22:10 UTC (en rouge) avec leur erreur 1-σ (en pointillé) et radiosondages Modem à 15:16 UTC (en bleu foncé), 19:56 UTC (en bleu ciel) et 22:12 UTC (en cyan). Figure extraite de Vérèmes et al. (2016)

3) Processus convectifs et composition de la haute troposphère

La vapeur d’eau est sans doute l’un des plus importants gaz à effet de serre et ses variations en haute troposphère (14-17 km) jouent un rôle dans l’équilibre thermique de la planète (en piégeant le rayonnement infrarouge terrestre). Bien comprendre et quantifier les mécanismes régulant la vapeur d’eau en troposphère et plus particulièrement dans la haute troposphère tropicale est important pour les prévisions quant au futur du climat terrestre.

La convection contrôle en partie le transport de vapeur d’eau ainsi que d'autres constituants chimiques (ozone) dans le système climatique. La convection tropicale transporte rapidement l’air de la couche limite vers les hautes altitudes. Cependant l’impact de la convection sur la composition chimique (vapeur d’eau/ozone) de la haute troposphère est encore très incertain.

L’île de la Réunion à 21oS est particulièrement adaptée à l'étude de la composition chimique de la haute troposphère du fait de ses positions géographique et météorologique. L'OPAR dispose de plusieurs moyens d’observations de paramètres atmosphériques sentinelles de changement climatique comme la vapeur d’eau (lidar, sondes CFH) et l’ozone (lidars, sondes ozone ECC). Ces mesures sont faites en routine pour alimenter les bases de données de réseaux d'observations (NDACC, SHADOZ, GCOS/GRUAN) ou en mode campagne lorsqu’un cyclone tropical se forme près de l’île.

Dans le cadre du LEFE VAPEURDO, les mesures lidar et de radiosondages de vapeur d’eau/ozone de l’OPAR sur la période 2013-2016 ont été analysées pour caractériser la saisonnalité de la vapeur d’eau/ozone dans la haute troposphère tropicale de l’hémisphère sud. Ces mesures ont été utilisées pour étudier l’influence de la convection sur la composition chimique de la troposphère tropicale au dessus de la Réunion.

La figure 3 montre l’évolution temporelle de l’humidité relative (RH) mesurée par les sondes météorologiques M10 depuis le site de Gillot dans le nord de l’île. Les fortes valeurs de RH (> 80%) observées en dessous de ~2km sont typiques des valeurs observées en couche limite marine. Dans la troposphère, on observe une alternance de périodes sèches et plus humides pendant la saison d’été austral (Novembre-Avril). Sur des périodes de plusieurs jours, les valeurs de RH peuvent dépasser 60% dans la moyen troposphère entre 2km et 10 km (par exemple début décembre 2014). Cette humidification de l’ensemble de la colonne troposphérique est sans doute associée à des épisodes convectifs au voisinage de l’île. On peut citer par exemple le cyclone Bejisa en 2014 qui est passé au plus proche de l’île à 160 km le 2 Janvier. De même, la saison d’été Janvier-Mars 2015 montre une humidification plus marquée de la troposphère, sans doute liée à des épisodes convectifs qui se sont succédés tout au long de cette saison (cyclones tropicaux Bansi du 11 au 15 Janvier, Chedza du 17 au 18 Janvier et la tempête tropicale Haliba du 7 au 11 Mars). La saison 2015-2016, en contraste, est plus similaire à la saison 2013-2014.

Figure 3 : Evolution temporelle de l'humidité relative (RH en %) mesurée par radiosondage pour les périodes novembre 2013-juillet 2014 (haut), novembre 2014-juillet 2015 (milieu) et novembre 2015-juillet 2016 (bas).

Une campagne d’observations (radiosondages, lidar, radar) est prévue pour la période d’été austral 2018-2019 dans le cadre de l’ANR CONCIRTO. L’ANR CONCIRTO a été financée en 2017 (Responsable scientifique : S. Evan) et vise à approfondir notre compréhension des mécanismes contrôlant la variabilité de la vapeur d’eau dans la TTL de l’hémisphère sud. Il s’agira notamment de mieux comprendre l’influence des mécanismes de plus petite échelle que sont la convection profonde et la formation des cirrus qui sont encore mal pris en compte dans les modèles climatiques.

Physico-chimie de la troposphère tropicale

Participants principaux

J. Brioude, P. Tulet, V. Duflot, B. Foucart, E. Lees, B. Verreyken (LACy), A. Colomb, K. Sellegri (LaMP), C. Amelynck (IASB), R. Volkamer (NOAA/CIRES), V. Gros, F. Vimeux (LSCE), M. Leriche, C. Jambert (LA), J. Sciare (Cyprus In st.)

Contexte scientifique

L'île de La Réunion présente la caractéristique de posséder un couvert végétal dense, composé de landes et arbustes (tamarins, branles) et de forêts primaires (acacias, bois de nèfles…). Ce couvert végétal, associé à un ensoleillement tropical important et à une température de surface autour de 20-30°C, est très propice à l'émission de COV biogéniques (COVB) comme l'isoprène. De plus, les Hauts de La Réunion sont quotidiennement dans les nuages qui présentent un cycle diurne bien marqué, avec une formation en milieu d'après-midi et une dissipation en soirée (Lesouëf et al., 2011; Baray et al., 2013; Guilpart et al., 2017). Leur mode de formation (convection sur pente) indique probablement une interaction en milieu de journée entre la microphysique nuageuse, les gaz réactifs et les aérosols anthropiques, biogéniques et marins. La nuit et en début de matinée, les aérosols observés sur les Hauts de l'île sont déconnectés des sources locales et régionales de pollution et sont donc très vraisemblablement caractéristiques de l'environnement de la basse troposphère de l'ouest de l'océan Indien tropical. Les observations in-situ sont donc très intéressantes pour les réseaux mondiaux d'observation comme point de référence dans cette zone sous-documentée.

1) Impacts des COV et halogènes marins sur la physico-chimie troposphérique

Les composés organiques volatils oxygénés (COVOs) ont un impact important sur la capacité oxydante de l’atmosphère et sur le climat. Le méthanol, l’acétaldéhyde et l’acétone sont parmi les COVOs les plus abondants, en particulier dans l’atmosphère marine où ils représentent de 37 à 63 % des COVs dans l’atmosphère. Les COVOs sont émis par la végétation, les océans, l’oxydation de COV, les feux de biomasse et les émissions anthropiques. De larges incertitudes existent sur le budget des COVOs, notamment à cause d’une mauvaise représentation de leur production photochimique, et d’incertitudes dans les émissions terrestres et océaniques.

Des études ont montré que les concentrations d’acétaldéhyde, de méthanol et d’acétone sont largement sous-estimées dans les modèles atmosphériques, particulièrement dans les régions tropicales reculées, ce qui indiquerait qu’il existe des sources inconnues de COVO. Notre méconnaissance du budget des COVOs vient notamment d’un manque de mesures de concentration de COVOs dans les régions tropicales. Une meilleure compréhension des sources et des puits de COVO est donc nécessaire pour mieux quantifier leur impact en tant que oxydant atmosphérique, ce qui joue sur la durée de vie de gaz à effet de serre (e.g. le méthane) et donc sur le climat.

Les composés halogènes (chlore, brome, iode) réactifs ou à faible durée de vie (moins de 6 mois) sont également importants pour la physico-chimie troposphérique. Ils sont principalement émis à la surface des océans (OMM, 2010). Leur rôle dans le système climatique est important car ils participent à la destruction de l’ozone troposphérique et peuvent modifier la durée de vie de gaz à effet de serre tel que le méthane et l’ozone. Environ 75% de l’ozone troposphérique et du méthane sont détruits aux tropiques.

Les COVOs affectent la capacité oxydante de l’atmosphère en modifiant la chimie des HOx (OH+HO2), NOx (NO+NO2), BrOx (Br+BrO2), et de l’ozone troposphérique. En perturbant l’équilibre du cycle des HOx et NOx, les halogènes peuvent également modifier le cycle chimique des COVOs.

Il est donc important de mesurer les COVs et les halogènes pour améliorer notre compréhension de la physico-chimie troposphérique.

Programme OCTAVE

Le programme OCTAVE, financé par l’agence de recherche belge BELSPO, a pour but d’améliorer l’estimation des flux d’COVO dans les régions tropicales, et en particulier au-dessus des océans, en combinant mesures in situ, satellites et modélisation. Les objectifs sont :

  • Générer une base de données de deux ans de mesures in situ de COVO par mesures spectrométriques PT-RMS et FTIR à l’observatoire du Maïdo. Ces mesures sont complétées par des mesures d’une campagne intensive à la Réunion de mars à mai 2018.

  • Identifier et quantifier les sources de COVO à l’aide d’une analyse statistique, et d’une analyse basée sur FLEXPART-AROME, développé au LACy .

Ce programme est le fruit de collaborations historiques entre le LACy, l’OSU-R, l’IASB-BIRA et le LaMP. L’IASB-BIRA a plusieurs instruments de mesures installés sur le site du Moufia et à l’observatoire du Maïdo (FTIR, PICARRO) sur la composition chimique de l’atmosphère et des concentrations de gaz à effet de serre. Le LaMP participe depuis 2012 à des mesures gaz et aérosols au sein de l’OPAR et autour de campagnes de mesures des gaz et des aérosols d’origine naturelle (e.g. ANR STRAP, Pre-BIOMAIDO).

Les mesures in situ sur l’île de la Réunion ont été effectuées par BIRA-IASB à l’aide d’un PTR-MS et des mesures FTIR à l’observatoire du Maïdo. En plus des COVOs d’origine marine, d’autres composés chimiques liés aux sources biogéniques (isoprène, monoterpènes), anthropiques (e.g. aromatiques) et feux de biomasse (acétonitrile) ont également été identifiés. Une campagne intensive a été coordonnée par l’OSU-Réunion pendant laquelle Aurélie Colomb (LaMP) a effectué des mesures de COVOs au niveau de la mer et sur la forêt primaire de Bélouve.

BELSPO a également financé une thèse en cotutelle internationale entre l’université de la Réunion et l’université de Ghent. Le doctorant, Bert Verreyken, a débuté son contrat au LACy le 1er octobre 2017, et poursuivra sa thèse à BIRA-IASB le 1er octobre 2019.

Grâce aux données récoltées pendant cette campagne, au LACy, les sources et puits des COVOs seront identifiés à l’échelle régionale à l’aide du modèle atmosphérique Lagrangien FLEXPART couplé aux sorties du modèle de prévision AROME de Météo-France à une résolution de 2,5 x 2,5 km2. Le couplage de FLEXPART et AROME a fait l’objet d’un oral à la conférence EGU (Verreyken et al., 2018), et un papier est en préparation. Pour des cas d’étude spécifiques, FLEXPART sera couplé aux sorties du modèle méso-échelle Méso-NH à une résolution de 500 x 500 m.

Mesures d’halogènes

A travers une collaboration entre le LACy, BIRA-IASB et l’université du Colorado, les mesures halogènes et de COVO (glyoxal) ont été développés à la Réunion. Suite à financement de l’agence BELSPO, un spectromètre MAX-DOAS de BIRA-IASB à été installé au niveau de la mer au Port en juin 2016. L’agence américaine NSF a également financé l’installation d’un deuxième MAX-DOAS de l’université du Colorado à l’observatoire du Maïdo en janvier 2017 pour deux ans. Les spectromètres MAX-DOAS permettent de mesurer les composés tels que BrO, IO, ClO, IO2 à différents angles de vue, ce qui permet de restituer un profil partiel en troposphère et stratosphère de ces composés. Un angle de vue à 0 degré correspond à des mesures horizontales, tandis que des mesures à 90 degrés correspondent au zénith. L’exploitation scientifique conjointe des deux MAX-DOAS à deux altitudes différentes est unique au monde et va permettre de fournir des profils avec 5 points indépendants.

 

 

Figure 4 : variation diurne des mesures de IO (gauche)  et BrO (droite) suivant l’angle de visée.

Un travail sur les “retrievals” est encore nécessaire pour obtenir des profils de concentration d’halogène. Les résultats préliminaires (Figure 4) montrent que IO a un signal fort à l’altitude de l’instrument (vers 2 km d’altitude) et faible pour les forts angles, c’est-à-dire en troposphère libre. Au contraire, les concentrations de BrO sont plus fortes en troposphère libre qu’au niveau de l’altitude de l’instrument. Ces résultats préliminaires sont cohérents avec des profils effectués par des campagnes aéroportées sur l’Atlantique et le Pacifique. L’estimation des profils de concentration d’halogène permettra de caractériser les différences chimiques entre le bassin sud de l’océan indien et les autres océans tropicaux.

2) Formation de nouvelles particules (nucléation, aérosols marins)

Modélisation des sels marins

Dans le contexte des études locales sur La Réunion et en particulier des interactions aérosols-nuages, il est apparu important d'étendre le modèle ORILAM aux sels marins. Cette évolution réalisée entre 2014 et 2016 considère une distribution lognormale à deux moments sur 5 modes (un mode d’Aitken, deux modes d’accumulations et deux modes grossiers). Cette distribution permet une bonne représentation des propriétés CCN et IFN des sels marins. Le schéma d’émission utilise la paramétrisation d'Ovadnevaite et al. (2014) qui a été implémentée dans le schéma SURFEx par M. Claeys dans le cadre de sa thèse sur la modélisation des aérosols marins et de leurs propriétés radiatives dans CHARMEX/ADRIMED en collaboration avec le LACy.

L'ensemble des développements sur la modélisation des sels marins ont été exploités dans le cadre de la thèse de Thomas Hoarau (2015-2018) sur les interactions aérosols-cyclones tropicaux, et des les post-docs de J. Pianezze sur les interactions vagues-atmosphère dans le cyclone Bejisa (2017) et sur le mélange entre les panaches volcaniques, la pollution anthropique et les sels marins (2018).

L’ordre de grandeur des aérosols marins modélisés est consistant avec la littérature même s’il est complexe d’évaluer la représentativité du schéma d’émission par vents forts et en condition cyclonique. La campagne ReNovRisk 2019 notamment grâce à l’utilisation du drone BOREAL (mesures de turbulence et de la distribution en taille des aérosols à 6 m au-dessus de la surface océanique) et le programme LEFE AEROMARINE permettront très certainement d’apporter des éléments de réponse plus précis.

Nucléation à l’observatoire du Maïdo

Dans le cadre de la thèse de B. Foucart (2015-2018), la nucléation de nouvelles particules a été analysée à l’observatoire du Maïdo. Deux années d’analyses des mesures en taille des aérosols issues d’un DPMS (10 et 500 nm) et d’un AIS (0.8-42 nm) ont permis de dresser une climatologie de la nucléation et de la croissance des clusters vers des aérosols stables.

Il a été montré que la fréquence moyenne de formation de nouvelles particules est de 65 % des jours à l’observatoire du Maïdo (Foucart et al., 2017). Cette valeur est l’une des plus importantes observées au monde (Figure 5). Les deux pics principaux de nucléation s’observent au cours des intersaisons (mars à mai et septembre à décembre). Le taux de grossissement annuel moyen est mesuré à 15-16 nm.h-1 avec des pics observés à 100 nm.h-1 et le taux de formation moyen de nouvelles particules J2 et J12 s’établit respectivement à 0,858 et 0,508 cm³.s-1. Ces valeurs sont établis en-dehors des situations où l’observatoire du Maïdo est sous l’influence du panache volcanique du Piton de la Fournaise.

Les diverses sources de nucléation possibles sont les sources marines, biogéniques et de pollution anthropique en provenance de la région du Port et de St-Paul. La campagne OCTAVE avec notamment le déploiement d’un API-TOF permettra de connaître la chimie des nouvelles particules formées et d’en établir les origines.

Figure 5 :  Evolution saisonnière de la fréquence de nucléation  entre mai 2014 et décembre 2015 mesurée à l’observatoire du Maïdo par l’AIS et le DMPS. 

Panaches volcaniques

Participants principaux

P. Tulet, J. Durand, B. Foucart, S. Bielli, G. Guimbretière, J. Pianezze (LACy), J.-B. Filippi (SPE), A. Di Muro, N. Villeneuve (IPGP), K. Sellegri, A. Colomb (LaMP), C. Denjean, T. Bourrianne (CNRM), M. Leriche (LA)

Contexte scientifique

Depuis la crise aéronautique générée par l'éruption en mai 2010 du volcan Islandais Eyjafjallajökull, la physico-chimie des panaches volcaniques est devenu une priorité scientifique au niveau Européen. Depuis 2009, le LACy s’est engagé en fort partenariat avec l’OVPF à comprendre les mécanismes d'émission de dispersion et de vieillissement des panaches volcaniques. Plusieurs programmes ont permis le financement de ce programme de recherche. Le programme INSU/LEFE MoPaV 2013-2015 qui a permis de modéliser les sources primaires et secondaires associées à la lave (collaboration SPE, OVPF, LA). Les programmes OMNCG de l'Université de La Réunion “FourNEx 2013”, “gestion des aléas volcaniques 2014-2015” et “MIST 2017-2018” ont permis de financer plusieurs collaborations scientifiques avec l’INGV (Italie), le LMV (Clermont-Ferrand), le LA (Toulouse) et le LPC2E (Orléans). Plusieurs développements numériques (chimie aqueuse, nucléation volcanique) et instrumentaux (mesures dégazage, hauteur d’injection) ont été impulsés par ces appels d’offre.  

FournEx et MoPaV ont été les incubateurs du programme ANR STRAP (N°CE03 2014) qui a permis de réaliser deux campagnes de mesures en 2015 sur le Piton de la Fournaise (85 jours d’éruption, Tulet et al., 2017) et sur l’Etna et le Stromboli en 2016 grâce à l’utilisation de l’ATR42 (UMS SAFIRE). Un des faits les plus marquants du programme STRAP est son caractère transdisciplinaire inédit entre les communauté Terre-solide et océan-atmosphère (LACy, IPGP, OVPF, LA, LMV, LaMP).

En 2017, le LACy (P. Tulet) et l'OVPF (A. Di Muro) ont impulsé un regroupement transdisciplinaire encore plus étendu de 80 chercheurs issus de 19 laboratoires de l’INSU, l’INSIS, INC, Météo-France et du BRGM et la rédaction d’un livre programmatique blanc pour l’étude des panaches volcaniques (programme MIST, site.mist.eu/).

Principaux résultats

La thèse de Jonathan Durand (2013-2016) et une collaboration étroite avec J.B Filippi (SPE) ont été l'occasion de développer un couplage atmosphère-lave basé sur le modèle de propagation des feux ForeFire et le modèle MesoNH. Initialement destiné aux feux de forêts, ForeFire a été adapté au cas d’une coulée de lave nous permettant d’obtenir une représentation réaliste et dynamique des émissions en surface associées (flux de chaleurs, SO2, CO2, CO…). ForeFire/Lava est muni d'un modèle d'émission pour les flux de chaleur sensible et latente et pour les flux chimiques associés au brûlage de la végétation ou à l'entrée de la lave en mer. En mode propagation, la lave est alors ralentie (augmentation de la rugosité du terrain) et l’interaction de la lave avec la forêt émet dans l’atmosphère des flux de CO2 proportionnels au taux de biomasse disponible. De même, ForeFire/Lava détecte la présence de la mer et injecte au modèle atmosphérique des flux de chaleur latente, de vapeur d'eau, de chlore, et la lave est ralentie exponentiellement en mode propagation. L'ensemble de ces développements a été exploité pour étudier l’éruption du Piton de la Fournaise d'avril 2007. Le couplage MesoNH/ForeFire s'est avéré très performant pour reproduire les niveaux de SO2 observés à la surface et a permis de mettre en lumière l'importance de la prise en compte de la lave pour bien représenter les circulations locales à proximité de l'évent (Durand et al., 2014). En effet les flux de chaleur sensible associées à la lave amplifient la convection à proximité de l'évent et transportent plus efficacement le soufre volcanique en altitude. Ils augmentent la température de l'air et génèrent une brise thermique qui accélère localement les alizés, orientant la convection volcanique vers les Hauts de La Réunion. Des animations 3D de la simulation sont disponibles sur youtube :

Fin 2015, via une collaboration avec le LA, un module de chimie en phase aqueuse (chaude et froide) a été introduit dans le modèle MesoNH afin d'étudier la formation des précipitations acides associées à la convection à l'évent ou au panache « laze » (Figure 6). Ce module, basé sur les travaux de Leriche et al. (2013), a été adapté à la chimie du soufre et du chlore. Bien que perfectible, il a été possible de produire des précipitations acides réalistes autour d'un pH de 2,75 qui s'approche des valeurs de pH observées dans les pluviomètres (~2,5). L'acidité dans les nuages est particulièrement importante dans les zones d'émission du SO2 (évent) et au niveau du panache “laze” en lien avec les émissions de HCl (fragmentation du sel de mer).

Figure 6 : Simulation MesoNH de l'éruption du Piton de la Fournaise le 6 avril à 00 UTC. En haut à gauche  la distribution de l'âge de la lave dans ForFire/LAVA; en haut au centre une photo présentant le panache de soufre, la lave et le panache laze; en haut à droite un coupe verticale (0-13 km asl) dans la zone de l'éruption représentant le SO2 (µg.m-3 en couleur, échelle à droite), le rapport de mélange en eau liquide (RCT en kg.kg-1 en marron, échelle en bas) et le rapport de mélange en glace (RCI en kg.kg-1 en rose, échelle en bas). En bas à gauche, coupe verticale du pH entre 0 et 8 km asl dans le nuage convectif et en, bas à droite le pH des précipitation.

ANR STRAP

Le LACy et l’OSU-R ont coordonné ce programme ANR ainsi que les work-packages 0 et 3. Le programme STRAP vise à déployer une approche intégrée pour étudier, analyser et simuler les processus de formation et de vieillissement des panaches volcaniques pendant leur transport, depuis leur source jusqu’aux régions de dispersion.

Deux campagnes d'observation ont été réalisées dans le cadre de cet ANR :

  • la première sur l'ensemble de l'année 2015 sur le Piton de la Fournaise ;

  • la deuxième partie a eu lieu mi-2016 sur l'Etna avec quatre vols de mesures ATR muni de l'instrumentation déployée pour la campagne DACCIWA et de quelques mesures in-situ sur les flancs de l'Etna.

La campagne STRAP 2015 sur le Piton de la Fournaise a reposé sur les moyens techniques de l'OPAR/OSU-R (LACy et UMS 3365) et de l'OVPF qui ont été mis à contribution sur alerte volcanique pendant l'ensemble de l'année 2015. P. Tulet (LACy) et A. Di Muro (OVPF/IPGP) ont organisé le dispositif de campagne. Des collaborations avec le CNRM, le LaMP (mesures ULM et à l'observatoire du Maïdo) et avec l'agence de la qualité de l'air ORA, ont été mis en place dès septembre 2014.

Deux éruptions majeures en mai et en août-octobre 2015 ont été documentées par des mesures ULM, lidar, DOAS et in-situ via des prélèvements de lave, des mesures de dioxyde de soufre dans différents secteurs de l'île dont l'observatoire du Maïdo. Des simulations FLEXPART de trajectoires et de diffusion du panache ont été effectuées sur l'ensemble des périodes d'activité du volcan (84 jours). Près de 10000 profils lidar effectués entre le 18 mai et le 19 octobre 2015 sont exploitables. 18 vols par ULM ont été effectués entre le 19 mai et le 18 septembre 2015. Des niveaux très important en SO2, excédant les 500 ppb et atteignant localement les 2 ppm, ont été mesurés à plus de 20 km du cratère par l'ULM. En surface les teneurs en SO2 ont dépassé à plusieurs reprises les 1000 μg.m-3.

Lors des épisodes de panaches volcaniques le nombre de particules observés est 10 à 20 fois supérieur aux journées classiques mais la nucléation au Maïdo est bloquée par le très grand nombre de particules et il faut très probablement observer ce processus à proximité de la source, à l'évent.

Fin 2017, plusieurs simulations MesoNH ont débutés sur les cas d'études les plus intéressants de la campagne STRAP. Le cas d'étude du 19 au 22 mai 2015 vise à étudier les zones et les périodes préférentielles de nucléation volcanique (thèse de B. Foucart). Les premières simulations montrent que le modèle MesoNH est capable de représenter correctement la dynamique et le transport du panache sur la topographie complexe de l'île de La Réunion, ce qui est un préalable pour comprendre les processus de nucléation de l'acide sulfurique. Parallèlement, un second cas d'étude a débuté en 2018 pour étudier la dispersion et le dépôt des composés volcaniques sur le cas du 29 août au 3 septembre 2015. Un dernier cas d'étude porté par J. Pianezze (post-doc) concerne l'étude du panache de l'Etna et du Stromboli (campagne 2016). Cette situation bien documenté par 4 vols de l'ATR42 a permis de suivre les panaches de l'Etna et du Stromboli sur plusieurs centaines de kilomètres. L'objectif sera donc d'étudier le vieillissement du panache et son mélange avec la pollution sur la méditerranée et les sels marins.

Principales publications

  • Cece, R., D. Bernard, J. Brioude, et al. Microscale anthropogenic pollution modelling in a small tropical island during weak trade winds: Lagrangian particle dispersion simulations using real nested LES meteorological fields. Atmospheric Environment , 139, 98-112 , 2016

  • Durand, J., Tulet P., Leriche M., Bielli S., Villeneuve N., DiMuro A. and Fillipi J.-B.: Modeling the lava heat flux during severe effusive volcanic eruption: a important impact on surface air quality. J. Geophys. Res., 119, 20,11729-11742, 2014.

  • Evan S., J. Brioude, K. Rosenlof, S. M. Davis, F. Posny, J. M. Metzger, V. Duflot, G. Payen, H. Vömel and J.-P. Cammas, Effect of tropical cyclones on the TTL composition over the Southwest Indian Ocean, 2018, soumis à J. Geophys. Res. Atmos.

  • Foucart, B., Sellegri, K., Tulet, P., Rose, C., Metzger, J.-M., and Picard, D.: High occurrence of new particle formation events at the Maïdo high altitude observatory (2150 m), Reunion Island (Indian Ocean), Atmos. Chem. Phys. Discuss., doi.org/10.5194/acp-2017-825, in review, 2017.

  • Guilpart E., F. Vimeux, S. Evan, J. Brioude, J.-M. Metzger, C. Barthe, C. Risi, and O. Cattani. The isotopic composition of near-surface water vapor at the Maïdo observatory (Reunion Island, southwestern Indian Ocean) documents the controls of the humidity of the subtropical troposphere. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 122 (18), 9628-9650. doi:10.1002/2017JD026791, 2017.

  • Langford, A.O., C.J. Senff, R.J. Alvarez, J. Brioude et al., An Overview of the 2013 Las Vegas Ozone Study (LVOS): Impact of stratospheric intrusions and long-range transport on surface air quality, Atmospheric Environment, doi:10.1016/j.atmosenv.2014.08.040, 2015

  • Mallet P.E., O. Pujol, J. Brioude, S. Evan, A. Jensen: Marine aerosol distribution and variability over the pristine Southern Indian Ocean, Atmospheric Environment, 182, 17-30, 2018

  • Shang, X., P. Chazette, J. Totems, E. Dieudonné, E. Hamonou, V. Duflot, D. Strasberg, O. Flores, J. Fournel, and P. Tulet. Tropical Forests of Réunion Island Classified from Airborne Full-Waveform LiDAR Measurements. Remote Sens., 8, 43, 2016.

  • Tulet, P., Di Muro, A., Colomb, A., Denjean, C., Duflot, V., Arellano, S., Foucart, B., Brioude, J., Sellegri, K., Peltier, A., Aiuppa, A., Barthe, C., Bhugwant, C., Bielli, S., Boissier, P., Boudoire, G., Bourrianne, T., Brunet, C., Burnet, F., Cammas, J.-P., Gabarrot, F., Galle, B., Giudice, G., Guadagno, C., Jeamblu, F., Kowalski, P., Leclair de Bellevue, J., Marquestaut, N., Mékies, D., Metzger, J.-M., Pianezze, J., Portafaix, T., Sciare, J., Tournigand, A., and Villeneuve, N.: First results of the Piton de la Fournaise STRAP 2015 experiment: multidisciplinary tracking of a volcanic gas and aerosol plume, Atmos. Chem. Phys., 17, 5355-5378, 2017.

  • Vérèmes, H., J.-P. Cammas, J.-L. Baray, P. Keckhut, C. Barthe, F. Posny, P. Tulet, D. Dionisi and S. Bielli, Multiple subtropical stratospheric intrusions over Reunion Island : observational, lagrangian, and eulerian numerical modeling approaches, J. Geophys. Res. Atmos., 2016JD025330, 2016