Brice FOUCART

« Nucléation et vieillissement de l'aérosol volcanique »

Soutenance : Fin 2018


L'activité volcanique peut représenter une source naturelle de pollution atmosphérique à la fois pendant et entre les éruptions (Oppenheimer, 2003). Une compréhension fine des propriétés physico-chimiques des panaches volcaniques, comme leurs impacts radiatifs, est une branche essentielle des sciences atmosphériques. Les éruptions de type explosives comme celle d'ElChichon (Mexico) en 1982 (Pollack et al., 1983, Hoffman et al., 1987) ou celle du Mt Pinatubo en 1991 (McCormick et al., 1995, Robock et al., 2002) ont mis en évidence un refroidissement global terrestre du fait de l'injection dans la stratosphère de grandes quantités de poussières volcaniques. Les études engendrées ont contribué à une meilleure compréhension de la composition et de l'évolution des panaches volcaniques et de leurs impacts sur le climat (Solomon et al., 1999, Robock et al., 2000). En revanche, les impacts atmosphériques, sanitaires et environnementaux des panaches volcaniques dans la troposphère par les plus petites éruptions de type effusive ou issu du dégazage hydrothermal sont mal connus alors que ces rejets émettent annuellement plus de polluants que les éruptions explosives beaucoup plus rares.

Le Piton de la Fournaise sur l’île de La Réunion est l'un des volcans basaltiques les plus actifs au monde. Ses éruptions sont sporadiques et engendrent des panaches volcaniques atmosphériques très majoritairement constitués de gaz. De très fortes concentrations de dioxyde de soufre (SO2) sont généralement mesurées au point d’émission. Beaucoup d’études ont montré que d’importantes concentrations en SO2 associées à de haut taux de rayonnement favorisent la formation d’une importante quantité d’acide sulfurique qui a son tour peut contribuer à la formation de nouvelles particules (Hyvönen et al., 2005; Mikkonen et al., 2006; Petäjä et al., 2009) et à leurs grossissement (Boy et al., 2005; Sihto et al., 2006; Mikkonen et al., 2011). En 2011, Boulon et al., ont directement observé des événements de formation de nouvelles particules (FNP) au sein du panache volcanique du volcan Eyjafjallajökull dont les composés ont étés transportés jusqu’à la station du Puy de Dôme. Après leurs grossissements par processus de condensation et coagulation, les particules issues de la nucléation binaire homogène et hétéro-moléculaire (H2SO4/H2O) peuvent constituer des noyaux de condensation (Condensation Cloud Nucléi) nécessaires à la formation de gouttelettes (nuages). Ces dernières, en suspension dans l’atmosphère, peuvent jouer un rôle important dans le rayonnement atmosphérique, que ce soit de façon directe par rétrodiffusion et absorption des rayonnements de courte longueur d'onde, ou de façon indirecte par modification de la couverture nuageuse et des propriétés des nuages (Hobbs et al., 1982; Albretch, 1989; Kaufman et al., 2002).

 

Figure 1: Schéma hypothétique de localisation des processus (1,2 & 3) de formation de nouvelles particules (FNP) au sein des panaches volcaniques du Piton de la Fournaise. Ces hypothèses se basent sur les résultats expérimentaux obtenus lors de la campagne STRAP 2015.

La thèse est centrée sur les problématiques proposées dans le cadre de l'ANR STRAP, au sein de laquelle la communauté nationale s'est regroupée autour d'un programme trans-disciplinaire visant à mieux comprendre et modéliser les panaches volcaniques ainsi que leurs impacts environnementaux. En particulier, elle vise à identifier et améliorer les paramétrisations de la formation et de l'évolution des particules d’aérosols émises par les volcans. L’objectif est d’exploiter les résultats expérimentaux obtenus lors de la campagne de 2015 pour améliorer la représentation de la nucléation et le vieillissement des particules à partir des composés gazeux émis dans les panaches volcaniques dans les modèles météorologiques. Des études tri-dimensionnelles à haute résolution basé sur le modèle MesoNH permettront d'évaluer les concentrations, la distribution dimensionnelle et la composition chimique des particules fines dans les panaches volcaniques à proximité des sources sur les reliefs montagneux de La Réunion.

Figure 2 : Représentation du panache volcanique modélisé (MesoNH) du Piton de la Fournaise le 05 mai 2015 via les concentrations en dioxyde de soufre (SO2) en ppb. A gauche, une coupe verticale du domaine, selon un transect Maido-Event. A droite, une coupe horizontale du domaine à 2220m d'altitude (a.s.l.). La direction et la vitesses des vents sont représentés pas des vecteurs. Les reliefs ont étés colorés en marron. Cette figure est considérée comme un résultat préliminaire de la partie modélisation de la thèse.