Atelier national sur les nuages polaires

24/06/2025 09:00

SIRTA / ICEO : Journée Scientifique 2025

24/06/2025 09:00

Evénement de clôture projet FAIR-EASE

12/06/2025 09:00

Laser-based mass spectrometry in the planetary sciences: convergence of emerging priorities and enabling technologies

17/06/2025 11:30

Séminaire du LATMOS.

Big Data Assimilation Revolutionizing Numerical Weather Prediction Using Fugaku

13/06/2025 14:00

Séminaire du LMD.

Simulated climatologies of Northern Hemisphere blocking and storm tracks in AGCMs

12/06/2025 14:30

Séminaire du LMD à l’ENS.

Les cycles de Titan avec un Modèle de Climat Global. Des observations de Cassini à l’exploration de Dragonfly

01/10/2024 14:00

L’atmosphère de Titan possède l’une des chimies les plus complexes du système solaire. Ses principaux composés – l’azote et le méthane – sont dissociés à haute altitude, produisant un ensemble de molécules
complexes qui génère une couche de brume photochimique enveloppant intégralement Titan. En outre, Titan possède un cycle du méthane similaire au cycle hydrologique établi sur Terre (évaporation, condensation, précipitations). La brume, le méthane, et les nuages sont soumis à des cycles couplés dont les mécanismes ne sont pas encore complètement compris. La mission Cassini-Huygens (2004-2017) a révélé un système climatique complexe et des structures de surface variées sur Titan. Les instruments ont suivi le basculement de la circulation atmosphérique à l’équinoxe et ses effets sur le climat. Aussi, les mesures in situ ont déterminé un rapport de mélange du méthane de 1,4 % au-dessus de la tropopause, augmentant jusqu’à 5,5 % à 5 km, et restant constant jusqu’au sol. Une nouvelle mission de la NASA, Dragonfly, prévue pour 2028, devrait poser un drone sur Titan en 2034 pour étudier en détail la région équatoriale.

Cette thèse s’inscrit dans la continuité des recherches précédentes sur le climat de Titan et se concentre sur la caractérisation du cycle du méthane dans la troposphère, en utilisant un Modèle de Climat Global (GCM) adapté à Titan. Le méthane contrôle le climat de Titan, entre autres par le biais du transfert radiatif ou de la formation des brumes et des nuages, et conditionne l’environnement de la région où se dérouleront les observations de la mission Dragonfly. Il est donc fondamental pour les recherches futures sur Titan de comprendre le cycle du méthane dans l’atmosphère (sources, puits, et flux).

La première partie de cette thèse se concentre sur le développement du GCM de Titan, développé depuis les années 1990 au Laboratoire de Météorologie Dynamique, et renommé Modèle de Climat Planétaire de Titan (PCM de Titan) au cours de cette thèse. Un nouveau modèle microphysique de nuages adapté à Titan y a été intégré. Il prend en compte les phénomènes de nucléation et de condensation des espèces chimiques présentes dans l’atmosphère de Titan. De plus, des processus d’interaction entre la surface et l’atmosphère ont été ajoutés, permettant de traiter les échanges entre les différents réservoirs. Cela permet de déterminer les flux des différentes phases du méthane (solide, liquide, gaz), qui contrôlent le cycle du méthane dans la troposphère, et d’interpréter les structures observées (distribution et composition des lacs, nuages et précipitations). Ce modèle est également capable de fournir des prédictions climatiques pour la saison et la région ciblées par la mission Dragonfly.

Après les développements microphysiques et l’intégration des processus
liés au cycle du méthane, la seconde partie de cette étude exploite les résultats du modèle pour analyser les processus saisonniers de l’atmosphère de Titan. Le modèle peut désormais prédire la cartographie des brumes et des nuages dans l’atmosphère, ainsi que caractériser ces nuages en termes d’opacité, de taille des gouttes et de composition. Nous sommes capables d’expliquer les flux de méthane, ses sources (évaporation à la surface), ses puits (précipitations), ainsi que les bilans nets.

 

Ce travail a démontré que la troposphère de Titan est dominée par l’interaction complexe entre le méthane, les espèces photochimiques, les nuages, le brouillard de condensats, et les réservoirs liquides à la surface. Dans la stratosphère, le climat est principalement dominé par la brume et par une forte rétroaction avec la circulation atmosphérique. L’organisation des cycles climatiques sur Titan a également été étudiée. Une analyse des processus saisonniers, en particulier aux pôles, a également été effectuée, et a permis d’expliquer la structure thermique de l’atmosphère au pôle d’hiver, initiant la formation de nuages de HCN à très haute altitude (> 250 km).

Modélisation numérique multi-échelle de la qualité de l’air pour le milieu urbain

04/10/2024 13:30

La pollution atmosphérique représente un risque environnemental et sanitaire majeur, notamment en milieu urbain, où de nombreuses personnes vivent à proximité de sources de pollution telles que le trafic routier. La distribution spatiale du trafic et la morphologie spécifique des rues influencent fortement les niveaux de concentration locaux, avec des configurations où les polluants tels que les particules et le dioxyde d’azote (NO₂) peuvent s’accumuler en raison d’une dispersion limitée. Le temps de résidence atmosphérique de ces polluants rend également significative la contribution des sources plus éloignées. La concentration locale étant influencée à la fois par la pollution de fond et les sources locales, une modélisation à ces différentes échelles est nécessaire afin de comprendre au mieux les échanges complexes de pollution en milieu urbain. Les simulations numériques réalisées dans le cadre de cette thèse intègrent une modélisation météorologique avec le modèle WRF, l’estimation des concentrations régionales à l’aide du modèle de chimie-transport eulérien 3D CHIMERE, l’évaluation des concentrations locales par le biais du modèle de réseau de rue MUNICH, et enfin, la représentation de la formation des composés secondaires avec le module chimique SSH-aerosol couplé au schéma gazeux MELCHIOR2.

La mise en place de données précises d’occupation des sols s’est avérée cruciale dans les simulations météorologiques effectuées en milieu urbain. La distinction de plusieurs types de tissus urbains et une représentation affinée de la densité urbaine dans le domaine régional étudié permet une modulation appropriée des flux de chaleur anthropique. Une augmentation du flux de chaleur anthropique par un facteur 3 entraîne en moyenne une diminution de 19% des concentrations d’oxydes d’azote (NOx) dans les rues.

Deux méthodes capables d’estimer les concentrations à l’échelle locale ont été comparées : MUNICH et la méthode sous-maille intégrée à CHIMERE. Cette méthode consiste en une approche statistique capable de désagréger les émissions provenant de divers secteurs, notamment le trafic routier. Pour ce faire, des simulations ont été menées sur la période de février à mars 2014. Les polluants étudiés incluent les NOx, le NO2 et les particules fines. Les concentrations générées par la méthode statistique ne sont pas suffisamment précises sur les zones présentant une forte hétérogénéité urbaine. On note un biais de concentrations entre les deux approches pouvant atteindre 58% dans ces zones. MUNICH intègre mieux les hétérogénéités d’émissions et de morphologie dans ces contextes particuliers. La morphologie de la rue, information que connaît MUNICH contrairement à la méthode sous-maille, se révèle être un facteur moins influent que les émissions.

Afin d’approfondir la compréhension des échanges de flux de pollution entre les niveaux local et régional et d’affiner leur représentation, CHIMERE a été couplé de manière dynamique avec MUNICH. Par rapport au chaînage séquentiel mis en oeuvre précédemment, cela permet d’intégrer une influence du modèle local sur les concentrations de fond. Ce couplage prévient également la double présence des émissions qui sont utilisées à la fois dans le modèle régional et dans le modèle local, dans le cas séquentiel. Sur une période de simulation d’un mois (février 2014), les estimations du système couplé multi-échelle par rapport à celles du chaînage séquentiel montrent des performances très similaires à l’échelle régionale avec une très légère diminution des concentrations des NOx, NO₂ et PM2,5. À l’échelle locale, le couplage améliore légèrement les performances des estimations de NO₂, d’après les mesures disponibles. Tandis que les concentrations moyennes des NOx sont équivalentes à l’échelle de la ville avec les deux méthodes, on note une augmentation d’environ 5% des concentrations de NO, de 4% des concentrations de PM2,5, ainsi qu’une diminution d’environ 8,5% de NO₂ dans le cas du couplage.

Les croûtes noires des monuments, des archives de la pollution atmosphérique ancienne

03/07/2024 14:00

Les croûtes noires sont une altération principalement observée dans les zones abritées de la pluie des monuments en calcaires et en marbre. Elles sont majoritairement composées de gypse (CaSO₄.2H₂O) et se forment par réaction de la calcite (CaCO₃) contenue dans la pierre avec le dioxygène de soufre (SO₂) de l’atmosphère. La coloration noire est apportée par les polluants atmosphériques particulaires piégés dans la couche de gypse formée.

Les concentrations en SO₂ ayant fortement diminué pendant les dernières décennies, les croûtes noires sont considérées comme des altérations du passé. Cependant, leur étude a un intérêt majeur. Non seulement, la compréhension des mécanismes de formation est primordiale pour aider les conservateurs et restaurateurs à trouver des solutions adéquates afin de préserver le patrimoine bâti, mais également, en emprisonnant la pollution atmosphérique particulaire, les croûtes noires agissent comme des préleveurs passifs. Ainsi, elles peuvent être utilisées pour documenter la pollution atmosphérique ancienne et notre histoire industrielle.

Afin de valider la candidature des croûtes noires en tant qu’archives de la pollution atmosphérique ancienne, des échantillons ont été prélevés sur les tombes anciennes (~1820-1850) du cimetière du Père Lachaise. Elles ont ensuite fait l’objet de multiples analyses (DRX, Raman, ATG-DSC, Rock-Eval, ICP-AES, MC-ICP-MS) afin d’étudier leur composition et la variabilité du signal pollution enregistré par ce type d’altération.

Une fois la carte d’identité des croûtes noires du cimetière du Père Lachaise établie, un protocole spécifique a été appliqué afin d’analyser différentes strates : par microscopique électronique à balayage couplée à la spectrométrie à dispersion d’énergie (MEB-EDS) et, après minéralisation, par ICP-AES et ICP-MS. Les résultats montrent une évolution du contenu particulaire au sein des croûtes noires laminaires, avec différentes contributions des cendres volantes issues de la combustion du charbon et de la combustion du pétrole qui correspond en tout point à l’évolution des usages des combustibles fossiles. L’analyse des concentrations en éléments traces métalliques confirme ces résultats. Cette étude démontre donc que les croûtes noires laminaires préservent une stratigraphie interne, hypothèse cruciale pour reconstruire et étudier la pollution atmosphérique ancienne.

Par ailleurs, pour mieux comprendre les mécanismes de formation des croûtes noires et expliquer la préservation de cette stratigraphie, des expériences en chambre atmosphérique ont permis de simuler les conditions dans lesquelles se forment les croûtes noires. Dans un premier temps, des coupons de calcaire sain de Saint-Maximin ont été altérés pendant 6 mois puis analysés par microscopie numérique et spectrométrie de fluorescence des rayons X (SFX) pour évaluer le rôle des gaz (SO₂, O₃) et des particules (suies, sel NaCl) sur la vitesse de croissance des croûtes noires. Dans un second temps, des croûtes noires anciennes ont été remises en altération dans les mêmes conditions en injectant du SO₂ marqué en 34S puis analysés par nanoSIMS afin de localiser les sites de formation du gypse. Des zones marquées au 34S ont été retrouvées au niveau de l’interface croûte noire-atmosphère, démontrant ainsi une croissance vers l’extérieur de la croûte noire concomitante du dépôt. Ces résultats permettent donc de démontrer que la formation des croûtes noires résulte de la dissolution de la calcite, de la migration du calcium vers la surface et de sa réaction avec le SO₂ dissous.

 

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Black crusts are a weathering pattern mainly observed in sheltered area from the rain on limestone and marble monuments. The formed gypsum (CaSO₄.2H₂O) layer is the result of the reaction between the calcite (CaCO₃) of the stone and the sulphur dioxide (SO₂) from the atmosphere. The black coloration is explained by airborne particulate matter trapped inside the gypsum crust.

Although black crusts are considered as a weathering form from the past, as SO₂ has decreased during the last decades, their study is still relevant. Firstly, to have a good understanding of the formation mechanisms of black crusts can help curators to find adequate solutions to preserve the build heritage. Secondly, black crusts act like passive sampler of air pollution. Therefore, they can be used to document air pollution in the past and our industrial history or in areas where no data are available.

To validate black crusts nomination as air pollution archives, samples of black crusts were collected at the Père Lachaise cemetery on ancient tombs (~1820-1850). They were then analysed using multiples techniques (XRD, Raman, TGA-DSC, Rock-Eval, ICP-AES, MC-ICP-MS) to study their composition and the pollution signal variability registered in such weathering pattern.

Once the id-card of Père Lachaise cemetery black crusts was done, a specific protocol was adapted to separate strata for each other. Each of them was characterized using SEM-EDS and after digestion by ICP-AES and ICP-MS. The results show a different particulate content as a function of the depth, with different contributions of fly-ash typical of coal and oil combustion. This is confirmed by the chemical analyses as the trace metal concentrations are in agreement with those first results. This study demonstrates that laminar black crusts have an internal stratigraphy, this hypothesis is crucial to reconstruct past air pollution.
To better understand black crusts formation mechanisms and explain the observed stratigraphy, atmospheric chamber experiments were performed to simulate the conditions in which the black crusts were formed. Pristine Saint-Maximin limestone samples were weathered for 6 months and then analysed by numerical microscopy et by X rays fluorescence (XRF) to evaluate the role of gas (SO₂, O₃) and of particulate matter (soots, salts NaCl) on the black crust growth rate. Ancient black crusts were again weathered, in the same conditions as the pristine Saint-Maximin, by injecting 34S marked SO₂ and analysed by nanoSIMS in order to localise the site of new gypsum formation. 34S marked areas were found at the black crust-atmosphere interface, showing then a growth directed toward the exterior of the black crust, coexisting with the atmospheric deposit. Those results show that black crust formation is the result of the dissolution of calcite and the migration of calcium toward the surface and of its reaction with dissolved SO₂.