Les aérosols sont des particules solides et/ou liquides en suspension dans l’atmosphère provenant de sources naturelles (déserts, océans, forêts, éruptions volcaniques) ou anthropiques (activités industrielles, chauffage, transports…) et de tailles allant de quelques nanomètres à plusieurs dizaines de micromètres. L’océan représente la source naturelle la plus importante d’aérosols en masse faisant des aérosols marins une source majeure de noyaux de condensation nuageux (particules servant de support à la condensation de l’eau liquide à l’origine de la formation des gouttelettes d’eau nuageuses).

Plus précisément, on appelle aérosols marins tous les aérosols présents dans la couche limite marine. Ce sont principalement des « sea spray » (sels marins et matière primaire organique), des aérosols provenant de sources continentales et transportés sur de longues distances, des aérosols formés à partir de réactions chimiques dans l’atmosphère (conversion gaz-particules), et des particules provenant de la cheminée des navires (Flores et al., 2021). Ils sont donc présents en concentrations très variées en fonction des milieux échantillonnés.

Prélèvement de gaz réalisé par Meredith Dournaux au pont I sur la casquette pour le LaMP (Laboratoire de Météorologie Physique, Clermont-Ferrand). © F. Burnet

L’un des volets du programme MAP-IO porte sur une meilleure caractérisation des propriétés dimensionnelles et de la concentration en nombre des aérosols marins dans l’Océan Indien en fonction des conditions météorologiques rencontrées. Les données d’aérosols enregistrées par le SMPS (diamètres allant de 5 nm à 500 nm) et l’OPC-N3 (diamètres allant de 410 nm à 6 000 nm) au cours de la campagne SWINGS réalisée entre janvier et mars 2021 ont notamment permis d’observer le comportement des aérosols marins en condition de vent fort (vitesse de vent > 10 m s^-1).

Au cours de cette mission une tempête est survenue entre le 22 et le 26 février 2021 au sud-est de Kerguelen (-56 °S, 78 °E) générant des vents de surface allant jusqu’à 119 km/h. La figure ci-dessous montre sur cette période l’évolution des concentrations en nombre des aérosols moyennées par classe de vitesse de vent pour des diamètres inférieurs à 1 µm.

Évolution des concentrations en nombre moyennées sur la période 22 – 26 Février 2021 pour les aérosols mesurés par le SMPS (de 5 nm à 500 nm) et par l’OPC-N3 (de 410 nm à 6000 nm) en fonction de la vitesse du vent. © M. Dournaux

On peut y voir deux comportements distincts en fonction de la population d’aérosols. Les aérosols appartenant aux classes de tailles les plus fines (diamètre < 30 nm) dominent la concentration totale en nombre et ne montrent pas de signature claire avec une augmentation de la vitesse du vent (coefficient de corrélation R ~ 0.01 pour Dp=20 nm). En revanche, une nette tendance se dégage pour les aérosols de diamètre supérieur à 200 nm avec une première augmentation de la concentration en nombre entre 10 et 17 m s^-1 et une seconde phase entre 20 et 30 m s^-1 (coefficient de corrélation R ~ 0.5 pour Dp=170 nm et R ~ 0.8 pour Dp=560 nm).

Depuis 2021, l’instrumentation MAP-IO comprend les SMPS, WELAS et OPC-N3 pour la mesure d’aérosols (de 10 nm à 6 µm), un CCN-100 pour la mesure des noyaux de condensation nuageux, un PICARRO pour la mesure des gaz CO, CO₂, H₂O et CH₄, des analyseurs NOx et O₃, un photomètre optique solaire/lunaire pour l’épaisseur optique des aérosols, une station GNSS pour la surveillance du champ de vapeur d’eau et un cytomètre en flux pour la distribution spatiale et l’hétérogénéité structurelle des groupes fonctionnels du phytoplancton et du microzooplancton.

Cette année les embruns sont également mesurés à bord du Marion Dufresne. En effet dans le cadre du projet IDEA (Impact Des Embruns sur l’Atmosphère marine), plusieurs instruments ont été installés sur le pont I du navire, juste au-dessus de la passerelle.

Instrumentation déployée par le CNRM (à droite) et le MIO (à gauche) pour la mesure in situ des aérosols marins et des embruns : capteurs sur le pont I et système d’acquisition dans la salle météo au pont H. © F. Burnet et al.

L’objectif est de réaliser des mesures in situ de la granulométrie des particules de 2 µm à 1.5 mm, en particulier en conditions de vent fort (20 m/s ou plus) qui correspondent aux conditions de production significative d’embruns : le CNRM a installé un CDP pour les gouttelettes de 2 à 50 µm, un SPC pour les gouttes de 30 à 500 µm, un CIP prêté par l’UAR SAFIRE pour les gouttes de 25 µm à 1.5 mm, et un capteur de temps sensible PWD22 pour les précipitations et la visibilité. Les sondes sont orientées manuellement selon la direction du vent afin de limiter au maximum l’impact du navire sur l’écoulement qui est une difficulté majeure de ce type de mesures. Le MIO (Marseille) a installé deux sondes PMS pour mesurer les concentrations d’aérosols pour des diamètres allant de 200 nm à 100 µm.

Les embruns sont arrachés à la crête des vagues lorsque le vent excède 10 m/s. Les particules les plus grosses (diamètre > 10 µm et qui peut dépasser le millimètre), ont une durée de vie courte dans la couche limite atmosphérique marine (CLAM) et retombent à proximité de leur lieu de production. Mais elles transportent et évaporent potentiellement une quantité d’eau importante depuis la couche de surface vers la couche d’évaporation (d’une épaisseur de 10 à 30 m) et impactent la CLAM via le transfert de quantité de mouvements et les échanges de chaleur sensible et latente. Si les mécanismes de formation sont relativement bien connus, très peu d’observations des quantités de masse effectivement émises et de leur répartition granulométrique existent, surtout par vents forts.

Dans les modèles atmosphériques utilisés pour les prévisions météorologiques à court terme ou climatiques, les flux air-mer sont estimés à partir de paramétrisations dites « bulk » qui divergent dès que les vents de surface dépassent 20 m/s. A 40 m/s, ces différences excèdent respectivement 100 % et 600 % sur les flux de chaleur latente et sensible. Les conséquences de ce verrou scientifique affectent notre capacité à comprendre et prévoir par exemple l’accélération des vents associés aux tempêtes extra-tropicales ou les mécanismes d’intensification et de trajectoire des cyclones tropicaux.

La prise en compte des embruns dans ces paramétrisations est très simplifiée. Les schémas actuels ne tiennent compte ni du transport, ni de leurs interactions avec leur environnement (e.g. microphysique, turbulence). Les couches atmosphériques concernées sont la surface, via les échanges turbulents sensibles aux distributions d’embruns et la CLAM dont les propriétés physico-chimiques sont modifiées à la fois par une variation des flux et par la présence des aérosols et des embruns. Ces incertitudes impactent notre capacité à déterminer le rôle des embruns dans le développement, l’intensité et la variabilité spatio-temporelle des tempêtes et cyclones.

Le projet LEFE IDEA, porté par P. Tulet du LAERO, a pour objectif d’améliorer la représentation des embruns dans les modèles méso-échelle couplés vagues-atmosphère utilisés en recherche (WW3 et Méso-NH) et prévision numérique du temps (WAM et AROME). Il s’agit d’étudier le rôle des embruns dans les échanges de quantité de mouvement et d’enthalpie et l’intérêt de les introduire explicitement dans les schémas microphysiques par rapport aux schémas de surface actuels en exploitant en particulier les observations d’embruns collectées sur le Marion Dufresne pendant la campagne OBS AUSTRAL 2024, en association avec le programme d’observation MAP-IO.

Article écrit par Frédéric Burnet du CNRM (Toulouse), Meredith Dournaux et Emmanuel Leclerc du LAERO (Toulouse) qui opèrent les instruments au cours de la traversée.

Pour en savoir plus

Le programme MAP-IO (Marion Dufresne Atmospheric Program-Indian Ocean :
http://www.mapio.re/