Institut Méditerranéen d’Océanologie
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Offre de sujet de thèse au MIO

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Thèse de Doctorat en Océanographie Physique- Océan-atmosphère-Météorologie

Sujet : Etude des flux d’aérosols marins pour des conditions de vent extrêmes et conséquences sur les propriétés de la couche limite atmosphérique marine

Directeurs : Jacques Piazzola, Gilles Tedeschi et Denis Bourras
Bourse DGA/Région PACA

Mediterranean Institute of Oceanography (MIO UM 110)-Université de Toulon

Problématique générale

La région méditerranéenne est considérée comme un "Hot-spot" pour le changement climatique (Giorgi et Lionello, 2008). Dans ce contexte, un certain nombre de questions se posent concernant l’impact à long terme de l’augmentation des évènements intenses (tempêtes, inondations…) sur l’environnement côtier. On observe notamment depuis quelques années l’augmentation de la fréquence d’occurrence des cyclones méditerranéens de type tropical, parfois appelés ouragans méditerranéens ou ‘’medicanes’’. De tels phénomènes météorologiques, jusqu’à récemment rarement observés en Méditerranée, ont provoqué cette dernière décennie des crues soudaines aux conséquences dramatiques en termes de perte de vies humaines. La formation, l’évolution et la trajectoire de ce type d’ouragans présentent encore des incertitudes majeures (Barthe et al., 2016). Dans de tels cas, le flux de chaleur latente est un important fournisseur d’énergie de l’océan à l’atmosphère pour lequel la contribution de l’aérosol marin généré à l’interface air-mer reste assez méconnue (Richter et Stern, 2014). Ceci est principalement dû aux incertitudes liées aux processus de génération de l’aérosol par le déferlement des vagues (Andreas, 2010). Les mécanismes de production primaire de l’aérosol marin sont principalement le résultat de l’interaction entre le vent et les vagues. Si le vent a soufflé assez longtemps, les vagues peuvent atteindre un point d’équilibre à partir duquel, l’énergie fournie par le vent étant trop importante, elles vont se briser pour dissiper ce trop-plein d’énergie. De l’air est alors entrainé dans l’eau sous forme de bulles qui peuvent être immergées jusqu’à des profondeurs de plusieurs mètres avant de remonter en surface où elles éclatent, donnant naissance à deux familles de gouttelettes, les gouttes de jet et les gouttes de film (Blanchard et Woodcock, 1958). L’apparition du déferlement, intervenant pour des vitesses de vent (référencées à 10 mètres au-dessus de l’interface) comprises entre 4 et 7 m/s, est donc le point de départ de la vie de l’aérosol marin. Il est repérable sur la mer par les trainées blanches apparaissant pendant quelques secondes (Monahan et al., 1986). De plus, quand le vent dépasse 9 m/s, intervient alors en parallèle un phénomène d’écrêtage direct des vagues par le vent, qui se traduit par un arrachement mécanique de grosses particules, « spume drops » (Monahan et al, 1986) de rayons généralement supérieurs à 10 µm. Elles ont donc une courte durée de vie dans l’atmosphère et retombent à proximité de leur lieu de production. Cependant, Andreas (2011) a récemment suggéré que ces gouttelettes contribuent pour une large part à l’échange de flux de chaleur de l’océan vers l’atmosphère.

Ce sujet s’inscrit aussi dans le cadre de l’estimation des performances des capteurs électro-optiques utilisés par la Marine Nationale. En effet, les particules d’aérosols interfèrent directement avec tout rayonnement électromagnétique en fonction de leurs caractéristiques physico-chimiques et l’estimation de leur impact sur la transmission en atmosphère maritime reste un point crucial. Si l’extinction moléculaire par les composés gazeux contenus dans l’atmosphère est assez bien connue et peut être évaluée notamment par l’intermédiaire de codes de propagation tel que MODTRAN (Berk et al., 1989) ou MATISSE (Labarre et al, 2011), l’influence des aérosols sur les rayonnements dans l’infrarouge et la bande visible est plus difficile à caractériser, en particulier au voisinage de l’interface air-mer.

Ce travail de thèse concerne une meilleure compréhension des flux d’aérosols générés à l’interface air-mer et à leur influence sur les propriétés de la CLAM, notamment les flux de quantité de mouvement et de chaleur (latente et sensible) échangés à l’interface océan-atmosphère pour de conditions de vent fort. Ces conditions représentent des évènements privilégiés pour permettre la production d’aérosol de grande taille ("spume droplets") via les processus d’écrêtage des vagues déferlantes (Andreas, 1998). Les résultats attendus sur les échanges de flux entre l’océan et l’atmosphère doivent nous permettre en outre de mieux comprendre la formation, l’évolution et la trajectoire des ouragans. Notre ambition est de faire la lumière sur ces processus en caractérisant conjointement le couplage vent-vagues, les propriétés des gouttelettes produites, leur devenir atmosphérique et leur impact sur les propriétés de la Couche Limite Atmosphérique Marine (CLAM). On souhaite notamment obtenir un certain nombre d’informations sur les conséquences des « spume droplets » produites par écrêtage et leur impact sur l’énergie mécanique perdue par l’atmosphère. Dans ce cadre, nous souhaitons aussi étudier les liens qui existent entre l’évolution des processus de déferlement en fonction des concentrations en gaz dissous liées à l’état du mélange océanique. Si Stramska et al. (1990) suggèrent une augmentation de la production des aérosols marins via une modification du spectre granulométrique des bulles, Hultin et al. (2010) ont montré plus récemment que le nombre des particules ultrafines produites par le déferlement énergétique en plein océan était corrélé négativement avec l’oxygène dissous. Une étude expérimentale sera menée en laboratoire et in situ pour étudier l’évolution des flux de production suivant la taille en fonction des caractéristiques des eaux de surface.

Au final, on implémentera la nouvelle fonction source dans le modèle de chimie-transport, WRF-Chem que l’on validera avec des données d’épaisseur optique issues des données photométriques disponibles via le réseau AERONET. On pourra alors modifier la formulation des flux de chaleur utilisé par les modèles météorologiques régionaux ce qui devrait avoir des conséquences en termes de précipitations. Enfin, pour estimer l’impact des flux d’émissions marines déterminés sur les propriétés de la Couche limite Atmosphérique Marine (CLAM), on procédera à des comparaisons des prédictions de WRF-Chem avec le sorties du modèle Meso-NH grâce à notre collaboration avec le CNRM de Méteo-France (voir plus bas).

Les objectifs de la thèse sont :

1/ Améliorer la paramétrisation de l’ensemble des flux de production primaire de l’aérosol marin, notamment l’écrêtage qui reste assez peu étudié. L’étude se focalisera sur les conditions de vent très fort.

2/ Etudier l’impact des aérosols générés à l’interface air-mer sur les flux de chaleur et le transfert de quantité de mouvement du vent.

3/ Valider la contribution des aérosols marins dans la zone côtière grâce à l’implémentation du modèle régional WRF-Chem sur la région côtière Méditerraénenne et des comparaison de l’AOD prédites aux valeurs mesurées par les photomètres, ceux notamment fixés à Porquerolles et le campus de l’université de Toulon ;