Mars : retours de missions

23/11/2024 16:00

Vers des climats inclusifs

20/11/2024 09:00

Peut-on contrôler les nuages ?

12/11/2024 18:30

The art of climate model evaluation : example of ENSO

18/07/2023 11:00

Climate models help us understand the complexity of Earth’s climate, forecast the next seasons and predict the influence of anthropogenic forcings. It is therefore important to evaluate the performance of these models relative to observational datasets, to build confidence and to improve them.

Sea level extremes and compounding marine heatwaves in coastal Indonesia

18/07/2023 11:00

Low-lying island nations like Indonesia are vulnerable to sea level Height EXtremes (HEXs). When compounded by marine heatwaves, HEXs have larger ecological and societal impact. Here we combine observations with model simulations, to investigate the HEXs and Compound Height-Heat Extremes (CHHEXs) along the Indian Ocean coast of Indonesia in recent decades.

Forests in the Earth System

04/07/2023 11:00

Séminaire du LGENS par Benjamin Quesada (Universidad del Rosario).

Carbon cycle on fire - New insights in the carbon cycle of terrestrial ecosystems

11/04/2025 14:00

This document summaries my research for the past 18 years at the university of Zurich and the Ecole normale supérieure. It is based on three main concepts: a scientific view on the persistence of the organic matter in the ecosystems, a holistic approach on how to study plant-soil systems, and a general desire to study such complex systems with transdisciplinarity. In a nutshell, my main research questions are “how much” carbon is there is the terrestrial ecosystems, and “how fast” they transfer from one compartment to another. The main focusses of my work are the pyrogenic carbon and the root-derived carbon in the terrestrial ecosystems. The pyrogenic carbon is the remaining organic fraction of biomass after exposed to heat and fire. On this topic, I was particularly interested in the method to describe it quantitatively and qualitatively, its amount in the ecosystems, at local and global scales, as well as the mechanisms describing its distribution. I also worked on a nature based solution related to this pyrogenic carbon, namely the biochar. Regarding the plant-soil systems and the focus on root-derived carbon, I am interested in how this carbon can be studied from different time and space perspectives, with a focus on the quantity of carbon that flows through the roots and the rhizosphere during the life of the plant, and during its decomposition later on. During these studies, I came across the observation that the effect of roots on the native soil organic matter may be as important as the root-derived carbon itself. This work is globally a playdoyer for experimental science, associated to other disciplines, to study ecosystem complexity.

Impact du transport à longue distance des panaches de feux de biomasse sur la pollution régionale observé par satellite (IASI)

01/04/2025 10:00

Les incendies de forêt sont responsables d’importantes émissions de gaz à effet de serre, de polluants gazeux et d’aérosols, qui contribuent au forçage radiatif et à la pollution atmosphérique. Bien que des politiques volontaristes de suppression des incendies aient réduit leur occurrence dans l’hémisphère nord (HN), le nombre d’incendies extrêmes a augmenté ces dernières années. Outre les effets régionaux sur la qualité de l’air, les grands panaches de fumée émis par les incendies de forêt les plus graves peuvent être transportés sur de longues distances, impactant ainsi la qualité de l’air à l’échelle continentale ou intercontinentale. Les biomes de l’HN sont particulièrement sensibles aux conditions hydrométéorologiques et donc aux effets du changement climatique sur les superficies brûlées. Les incendies les plus intenses des deux dernières décennies sont observés en Amérique du Nord et dans les régions boréales d’Asie.

Dans cette thèse, j’étudie l’impact des feux sur la composition atmosphérique dans l’hémisphère nord et son évolution au cours des dernières décennies grâce aux observations satellitaires.

L’analyse entre juin et octobre pour la période 2008-2023 des données fournies par les instruments IASI et MODIS montre que les incendies de grande intensité influencent fortement les niveaux de monoxyde de carbone (CO) et d’aérosols (AOD) dans l’HN. Ainsi, les colonnes totales de CO observées par IASI entre juin et octobre se sont révélées fortement corrélées aux surfaces brûlées. Une méthode de détection des panaches extrêmes observés par IASI a été développée, révélant une corrélation significative entre le nombre total de jours avec un panache de CO détecté en juin-octobre et la surface brûlée totale aux latitudes supérieures à 30°N, à l’exclusion de l’ouest des régions d’Asie centrale et boréale (r=0.83). Dans les régions boréales d’Asie de l’Est et dans les régions boréales et tempérées d’Amérique du Nord. j’observe une augmentation de +16% à +37% des superficies brûlées entre juin et octobre lors des années récentes (2017-2023) par rapport à 2008-2023, accompagnée d’une hausse des niveaux moyens et extrêmes de CO et d’AOD. En Amérique du Nord, le nombre de jours avec des panaches de CO a augmenté de +51% à +65%, et ceux avec des panaches CO-aérosols de +73% à +100%. En Europe, bien que les surfaces brûlées aient diminué de 28%, le transport à longue distance des panaches a conduit à une hausse des extrêmes de CO et d’AOD. L’Atlantique, sur la trajectoire des panaches, est également affecté. J’observe ainsi une augmentation du nombre de jours avec un panache de CO de +82% au-dessus de l’Atlantique et +64% au-dessus de l’Europe. Je montre que l’augmentation de l’étendue des panaches, provoquée par une fréquence et une étendue géographique par panache plus importantes, contrôle très majoritairement l’augmentation observée des valeurs moyennes de CO et de PAN.

J’ai développé un algorithme basé sur les observations IASI de CO et de PAN pour déterminer les trajectoires des panaches et estimer leur origine la plus probable. Il en ressort que 51% des panaches extrêmes observés entre juin et octobre sur la période 2008-2023 proviennent des régions boréales d’Asie de l’Est et d’Amérique du Nord, avec une hausse de +28% à +47% du nombre de trajectoires issues de ces régions entre 2017 et 2023. L’Europe est principalement affectée par des panaches venant d’Amérique du Nord (45%), d’Afrique du Nord (28%) et du Moyen-Orient (21%), avec une augmentation de +40% à +61% des panaches provenant d’Amérique du Nord.

Enfin, je montre que l’utilisation conjointe des méthodes de détection de panaches, des observations CALIOP de la distribution verticale des aérosols et des observations IASI de multiples composés chimiques permet de caractériser les altitudes d’injection des panaches et d’étudier la chimie des panaches au cours du transport en fonction de leur altitude.

Étude des effets radiatifs des traînées de condensation et des cirrus fins, avec un regard particulier sur les effets 3D

31/03/2025 14:00

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.