18 mai 2022

Émissions des feux et des volcans

Émissions, chimie et dynamique des panaches de feux et volcaniques

 

Aérosols dans la stratosphère

Le rôle des aérosols stratosphériques sur le climat est avéré et ce même lorsque la stratosphère n’est pas impactée par une éruption majeure du type Pinatubo. La variabilité du contenu en aérosols de la stratosphère doit être quantifiée et les mécanismes qui la contrôlent caractérisés afin de prendre en compte la contribution de ces aérosols dans les modèles de Chimie-Climat, que ce soit pour les études passées ou pour les projections. Ces objectifs scientifiques sont appréhendés par une stratégie de synergie observation-modélisation. La variabilité des aérosols est déterminée par les mesures régulières sous ballon météorologique avec les compteurs LOAC associées aux observations spatiales disponibles ou à venir (Lidar CALIOP/Calipso, EarthCARE, OMPS, SAGEIII). L’impact radiatif des aérosols à différentes échelles spatiales (régionale, synoptique et globale) et temporelles (saisons, années) est étudié par le modèle communautaire de Chimie-Climat WACCM mis en service au LPC2E. On s’intéresse particulièrement à des régions clés en termes de sources d’aérosols et/ou de précurseurs : les tropiques, le vortex polaire et la mousson asiatique. Un focus est d’abord mis sur l’effet des éruptions volcaniques régulières « modérées » sur le bilan radiatif de par l’injection directe de SO2 dans la stratosphère, avec comme point de comparaison l’éruption majeure du Pinatubo. Ensuite, la contribution des feux de biomasse (épisodes de pyroconvection) et des sources de pollution (notamment asiatique) est particulièrement surveillée par des mesures ballons et spatiales. Egalement, l’impact du matériel venant de l’espace est étudié via des collaborations avec des planétologues. Dans notre stratégie, le rôle des observations est dual du fait que les modèles (WACCM, Reprobus du LATMOS) sont à la fois initialisés et évalués par ces données.

 

Feux de Biomasse

 

L’objectif est d’étudier les caractéristiques physico-chimiques des feux de biomasse, aux niveau des sources d’émissions et au cours de leur transport à haute altitude, ainsi que leurs impacts sur la qualité de l’air et le climat.

 

  •     Chimie au cœur du panache

L’objectif est de mieux caractériser et quantifier les émissions des feux et la chimie du panache. Ces données mal connues sont une grande source d’incertitude dans les modèles chimie-climat d’impacts des feux. Ces études sont menées avec l’aide de mesure provenant du SPIRIT puis du SPECIES ou des mini-capteur électrochimique couplées à la modalisation.

  •     Impact des feux de biomasse sur le contenu en aérosols :

L’étude du rôle des feux de biomasse issus d’Afrique et de l’Asie du sud-est, sur le contenu en aérosols de l’UTLS respectivement au-dessus de l’Océan Indien et dans l’anticyclone de la mousson asiatique, est conduite via des mesures sous ballons avec LOAC depuis St-Denis-de-la-Réunion (cadre de projets du LEFE-CHAT SATORI, de l’Université de la Réunion et du Labex VOLTAIRE) et depuis l’Inde (projet BATAL, Labex VOLTAIRE). La contribution de ces différentes sources et les mécanismes de transport des aérosols et précurseurs à l’échelle globale sont également investigués au moyen du modèle de Chimie-Climat WACCM.

  •     Etude du transport d’un panache

L’exploitation des résultats liés aux campagnes aéroportées DACCIWA-APSOWA et SHIVA (7ème PCRD) vis-à-vis de la chimie et du transport des panaches de feux de biomasse en région équatoriale est menée à l’aide des modèles régionaux FLEXPART et CCATT-BRAMS (bientôt remplacé par WRF-CHEM). Il s’agit principalement de comprendre l’évolution de la composition chimique du panache au cours du temps et du transport dans l’atmosphère, et son impact à l’échelle régionale sur la qualité de l’air et le climat.

 

Volcans

 

L’objectif est de mieux caractériser et quantifier les émissions volcaniques (gaz et aérosols) ainsi que leur contribution à la composition chimique et particulaire de la troposphère et de la stratosphère. Le programme de recherche est un continuum d’études de mécanismes depuis les processus sub-surface, la réactivité à l’intérieur du panache volcanique, la caractérisation des flux d’émissions et l’impact de ces émissions sur la composition chimique et particulaire de la troposphère et de la stratosphère. Ce continuum s’appuie sur des mesures de laboratoire, des mesures in situ, des mesures à distance, ainsi que sur des outils de modélisation à différentes échelles, allant du modèle de processus au modèle Chimie-Climat.

 

  •     Volcans – Dégazage : mécanisme de dégazage et la chimie haute température

L’objectif étant de pouvoir prédire l’évolution de l’activité volcanique à partir de la surveillance des émissions et à l’inverse de prédire les émissions à partir d’information sur le type d’activité volcanique. Dans le cadre de l’Equipex PLANEX (2012-2019) piloté par l’ISTO, des mesures des gaz émis par le magma soumis à des fortes températures (> 1000°C) et pressions (> 1000 bar), sont susceptibles de donner des informations sur les processus sub-surfaces et la chimie haute température lors du mélange initial entre gaz volcaniques et air ambiant. Ces processus sont mal compris, en particulier la manière dont ils modulent les émissions d’halogènes.

  •     Volcans – Panache : Réactivité et chimie des processus à l’intérieur du panache volcanique

L’objectif est de comprendre les émissions volcaniques et l’évolution de chimie rapide à haute température au sein des panaches lors d’éruptions actives et passives, en particulier la chimie halogène-aérosols qui cause la destruction d’ozone et le dépôt du mercure. Le devenir des composés halogénés et des aérosols au sein des panaches sont caractérisé grâce à des mesures in-situ au sol (collaboration INGV), par drone avec des transects du panache (collaboration LA, Toulouse et Labex CLERVOLC, projet ANR-STRAP) et sur la verticale à l’aide d’instrumentations sous ballon météo/CMET (collaboration University of Leeds). Les instruments déployés sont des mini-capteurs électrochimiques pour les gaz SO2, HCl et autres et le LOAC.

  •     Volcans-Impacts : Impact des émissions volcaniques sur  le système climatique

Afin de pouvoir quantifier les impacts à l’échelle régionale et globale, des émissions réactives halogène-aérosols-SO2 des volcans, la modélisation est partie intégrante du thème volcan : les modèles de chimie haute température (HSC), chimie 0D (PlumeChem), régional troposphérique (actuellement CCATT-BRAMS, puis WRF-CHEM) et chimie-Climat (WACCM-CARMA avec microphysique).  Les modèles de processus permettront d’interpréter les mesures des campagnes et d’identifier les processus-clés afin d’effectuer les sauts d’échelles vers l’échelle régionale et globale. Les données acquises sont particulièrement utiles pour initialiser et de valider les simulations à plus grande échelle.

  •     IMAGETNA or Volcans-Flux

La connaissance des flux d’émission des espèces chimiques émises par les volcans et leur variabilité sont nécessaires pour pouvoir évaluer la contribution des volcans à la composition chimique de l’atmosphère. L’objectif est de pouvoir étudier les flux d’émissions de plusieurs espèces typiques telles SO2, CO2, HNO3, grâce à la technologie novatrice d’imagerie hyperspectrale dans l’infrarouge.