Le secteur de l’aviation, en pleine expansion, représente une part non négligeable des perturbations des activités humaines sur le climat, via des effets directement liés aux émissions de CO₂ d’une part, et à d’autres effets d’autre part. Le forçage radiatif associé aux émissions de CO₂ de l’aviation est relativement bien quantifié, tandis que celui des effets non-CO₂ tels que la formation de traînées de condensation, ne l’est pas, alors qu’ils pourraient représenter les deux tiers du forçage radiatif effectif du secteur. Les incertitudes associées à l’estimation du forçage radiatif des nuages induits par l’aviation sont en partie liées au schéma de transfert radiatif utilisé pour calculer le forçage. Une part de cette erreur est due au fait que la très grande majorité d’entre eux négligent les effets radiatifs des bords des nuages, appelés effets 3D du rayonnement.

Nous utilisons dans cette thèse un code de transfert radiatif, htrdr, capable de représenter les aspects tridimensionnels de la structure des nuages et de la propagation du rayonnement, pour étudier les effets 3D du rayonnement dans les traînées de condensation, et leurs spécificités par rapport aux effets purement 1D. Pour cela, nous utilisons une configuration de nuage idéalisée dont on fait varier les propriétés macroscopiques telles que l’épaisseur optique et les dimensions géométriques, sur une gamme de valeurs englobant les traînées de condensation et les cirrus induits.

Du fait de leur faible épaisseur optique, la balance entre les effets radiatifs de ces nuages dans les domaines spectraux solaire et terrestre est très fine. L’effet dans le domaine terrestre est toujours positif (réchauffant), il évolue de manière non-linéaire avec l’épaisseur optique, avec un accroissement qui diminue après quelques unités d’épaisseur optique. Les effets 3D du rayonnement dans le domaine terrestre sont également positifs, augmentent avec l’épaisseur optique et le rapport d’aspect du nuage en suivant une relation que nous avons déterminé de manière empirique. L’effet radiatif du nuage
dans le domaine solaire est de signe opposé (refroidissant), et augmente linéairement jusqu’à une épaisseur optique d’au moins 4. Il dépend en plus de la position du soleil : il atteint un maximum à un angle zénithal d’environ 70-80 ◦ pour les nuages fins et au zénith pour les nuages optiquement plus épais, avant de décroître vers 0 quand le soleil se couche. Les effets 3D dans le domaine solaire sont positifs au zénith, et peuvent changer de signe à des angles zénithaux plus élevés en fonction de l’orientation du soleil par rapport au nuage. Lorsque la traînée de condensation est parallèle au rayonnement solaire incident, les effets 3D diminuent avec l’angle zénithal. Quand la traînée est perpendiculaire au soleil, les effets 3D changent de signe et leur effet refroidissant est maximal à des angles zénithaux autour de 80 ◦ , des angles souvent rencontrés aux moyennes et hautes latitudes. Pour les nuages optiquement fins, l’effet radiatif net du nuage au zénith est positif, et peut changer de signe aux valeurs élevées d’angle zénithal. Pour des nuages plus épais, l’effet radiatif net peut
être négatif au zénith.

Du fait de cette dépendance à la position du soleil, nous avons calculé l’effet radiatif sur des échelles temporelles plus longues, en moyenne sur des journées ou le long de trajectoires de vol. La nuit, seul le rayonnement thermique compte : les nuages sont réchauffants. Le rayonnement solaire, la journée, atténue en partie l’effet du rayonnement terrestre. Nous montrons que, après intégration pour des journées et des trajectoires de vol typiques, la différence entre effets 3D et 1D restent non négligeables, et peuvent atteindre plusieurs dizaines de pourcents. Les études réalisées dans des conditions idéalisées fournissent une grille de lecture qui permet l’analyse de l’évolution de l’effet radiatif et des effets 3D à des échelles spatiales et temporelles plus larges. Cependant, en raison des nombreuses dépendances de ces effets, il est difficile de prédire des résultats globaux, et des calculs plus complets sont nécessaires dans cette perspective.

Lieu
Sorbonne Université – Campus Pierre et Marie Curie
4, place Jussieu Paris 5^e
Amphithéâtre Durand, Bâtiment Esclangon

Visio
https://cnrs.zoom.us/j/93802894923?pwd=0034boZzkoixFUozq3DyUrRm6C4mky.1
Meeting ID: 938 0289 4923
Passcode: 6bFvVg

• Rapportrice : Céline Cornet
• Rapporteur : Johannes Quaas
• Examinateur : Laurent Labonnote
• Examinateurs : Quentin Libois
• Examinateur : Aymeric Spiga
• Directeur : Jean-Louis Dufresne
• Co-directeur : Nicolas Bellouin