Academic literature on the topic 'Nuages de glace stratosphériques'

Cette thèse porte sur l’étude de l’évolution photochimique des aérosols présents dans la stratosphère de Titan. Au début de la saison automnale au pôle sud, la stratosphère, atteinte par des rayonnements FUV solaires, s’est refroidie et particulièrement enrichie en matériaux organiques : en aérosols, ainsi qu’en benzène (C6H6) et cyanure hydrogène (HCN), formés à haute altitude, qui ont été à l’origine de la formation de nuages de glace saisonniers. Expérimentalement, la photochimie de ces glaces, induite par des rayonnements UV similaires à ceux parvenant dans la basse stratosphère (l > 230 nm), conduit à la formation d’une phase volatile et d’une phase réfractaire qui représente en laboratoire un analogue des aérosols de la stratosphère de Titan formés par photo-polymérisation de glaces organiques. Nos résultats permettent de montrer que les propriétés spectroscopiques des analogues d’aérosols issus de la photolyse de glaces résultant de la condensation simultanée du benzène et du cyanure d’hydrogène sont similaires à celles des aérosols présents dans la stratosphère, d’après les données collectées par les spectromètres Cassini/VIMS et CIRS, à l’inverse des analogues produits par l’irradiation des glaces de benzène pur qui eux se différencient significativement des aérosols de la stratosphère
This thesis deals with the study of the photochemical evolution of aerosols in Titan's stratosphere. At the beginning of the autumn season at the South Pole, the stratosphere, reached by FUV solar radiations, cooled and was particularly enriched in organic materials: aerosols as well as benzene (C6H6) and hydrogen cyanide (HCN), formed at high altitudes, and were responsible for the formation of seasonal ice clouds. Experimentally, the photochemistry of these systems, induced by UV radiations similar to those reaching the lower stratosphere (l > 230 nm), leads to the formation of a volatile phase and a refractory phase that represents experimentally an analogue of Titan stratospheric aerosols formed by polymerization of organic ice. Our results show that the spectroscopic properties of aerosols from the polymerization of ices of benzene mixed with hydrogen cyanide are more similar to aerosols present in the stratosphere, according to the data collected by the Cassini/VIMS and CIRS spectrometers, than those of aerosols produced by the irradiation of pure benzene ices

Les mécanismes de formation des nuages de glace arctiques durant la nuit polaire sont encore mal définis en raison de l'absence d'observations et de l'éloignement de cette région. Pourtant, leur influence sur les conditions météorologiques et sur le climat dans l'hémisphère nord est d'une importance primordiale ; et les connaissances sur la modification de leurs propriétés, liées à des processus d'interaction aérosol-nuage, doivent être améliorées. Les fortes concentrations d'aérosols en Arctique durant la nuit polaire sont associées au transport des aérosols anthropiques des latitudes moyennes jusqu'au pôle Nord. Les observations et les modèles montrent que cela peut conduire à un transport important de particules d'aérosol acidifiées. Les mesures en laboratoire et in situ montrent qu'à basse température (< -30°C), le revêtement d'acide sur les noyaux glaçogènes (IN) peut réduire leurs propriétés de nucléation de la glace. Par conséquent, leur concentration est réduite dans ces régions entraînant une plus faible concentration de plus gros cristaux de glace en raison d'une diminution de la compétition pour une humidité disponible similaire. De nombreuses mesures de terrain et par télédétection par satellite (CloudSat et CALIPSO) révèlent l'existence de deux types de nuages de glace (TIC) en Arctique durant la nuit polaire. Les nuages de glace de type 1 (TIC-1) ne sont visibles que par le lidar tandis que les nuages de glace de type 2 (TIC-2) sont perçus à la fois par le lidar et le radar. Les TIC-2 sont divisés en TIC-2A et TIC-2B. Les TIC-2A sont recouverts d'une fine couche de petits cristaux de glace non-précipitant (invisible par le radar) (TIC-1), tandis que les TIC-2B ne le sont pas. Ils sont caractérisés par une faible concentration de gros cristaux de glace. On suppose que la microstructure des TIC-2B est liée à l'acidification des aérosols. Pour vérifier cette hypothèse, des études de cas et des approches statistiques ont été combinées afin d'analyser le transport des aérosols et les propriétés des nuages de glace en Arctique. La première partie de la thèse enquête sur les propriétés microphysiques des TIC-1/2A et TIC-2B, en analysant des mesures aéroportées et satellitaires de cas spécifiques observés durant la campagne de mesures ISDAC (Alaska, Avril 2008). Pour la première fois, les microstructures des TIC-1/2A et TIC-2B en Arctique sont comparées en utilisant les observations in-situ des nuages. (...) La deuxième partie de la thèse enquête sur l'origine des masses d'air formant deux cas spécifiques de TICs ISDAC : TIC-1/2A (1 Avril 2008) et TIC-2B (15 Avril 2008), en utilisant des outils de trajectoire et des données satellitaires.

Les nuages stratosphériques polaires (PSC) jouent un rôle fondamental dans la destruction de l’ozone polaire. Toutefois les propriétés microphysiques de ces nuages ne sont pas encore bien caractérisées. De plus, les processus déterminant ces propriétés restent mal paramétrés dans les modèles de grande échelle. Cette thèse est consacrée à la restitution de la distribution en taille des PSC à partir d’observations lidar ainsi qu’à la comparaison de ces restitutions aux simulations d’un modèle de microphysique et de transport développé en parallèle. Dans la première partie de la thèse, la distribution en taille de PSC est estimée à partir des coefficients de rétrodiffusion lidar en utilisant une approche probabiliste, car le modèle optique est fortement non linéaire. Les comparaisons avec des mesures de taille in situ sont excellentes pour les particules sphériques. La même approche est ensuite appliquée à une détection de PSC durant une campagne de mesure lidar en Arctique. Les résultats mettent en évidence une forte variabilité spatio-temporelle de la distribution en taille, qui n’est pas proprement décrite dans les modèles à grande échelle. La deuxième partie de la thèse présente le couplage entre un modèle de transport haute résolution et un modèle de microphysique. Les premières comparaisons des simulations numériques avec les mesures lidar et les précédentes restitutions de distribution en taille sont très encourageantes. Un tel outil de simulation sera très utile dans l’analyse des premiers champs 3D de PSC mesurés par le lidar satellite CALIOP/CALIPSO.

À mesure que la compréhension des interactions entre la chimie de l'ozone stratosphérique et le changement climatique progresse, les conséquences de l'évolution des températures autant que celui des perturbations de la charge stratosphérique en aerosols deviennent un sujet d'intérêt scientifique de premier plan.Il est bien établi que le volcanisme est la principale source d'aérosols stratosphériques et que les épisodes de volcanisme majeurs s'associent à des anomalies négatives d'ozone. Toutefois, l'effet à haute latitude d'une surcharge en aerosols soufrés, précurseurs des nuages stratosphériques polaires (PSC), reste mal connu.De plus, des injections stratosphériques d'aérosols carbonés sont observées lors d'importants feux sur les dernières années. Au Canada en 2017 et en Australie en 2020, des masses d'aérosols comparables à celles émises par le volcanisme modéré ont été rapportées. Cela continue de nourrir un fort intérêt scientifique, le carbone n'étant pas naturellement présent en stratosphère et les effets de son apport significatif sont encore à étudier. Aussi, il est attendu que le changement climatique favorise l'occurrence de feux majeurs, rajoutant la question des tendances à long terme de la charge en aérosols à la nécessité de caractériser finement l'effet d'une telle perturbation.Précurseurs de la destruction saisonnière d'ozone, les PSC, formés sur les aerosols, sont au coeur de ces enjeux. Le lidar est un instrument adapté à l'étude de ces phases condensées. À l'aide du lidar de la station française antarctique Dumont d'Urville (DDU) et des instruments spatiaux pertinents, cette thèse étudie les tendances et processus liés aux PSC et aux perturbations en aérosols stratosphériques.Les mesures acquises à DDU utilisent différentes classifications de PSC pour illustrer des processus fins uniquement accessibles par la géométrie d'un instrument sol. La paramétrisation des PSC repose sur une classification concise et representative, et la position côtière de la station est un atout de par la grande variabilité des observations de particules qu'elle permet. Une tendance du nombre de jours de PSC par an à DDU de 2007 à 2020 est établie par la combinaison de mesures lidar et de temperatures. Cette tendance, de -4,4 jours de PSC par an par décennie, est le reflet d'une tendance opposée des températures stratosphériques sur cette période. Cette dernière, récemment confirmée par d'autres études, questionne l'évolution long terme dans le contexte du changement climatique.Les feux australiens en 2020 ont injecté une masse inédite d'aérosols en stratosphère, dont une partie a été transportée jusqu'aux hautes latitudes australes. Le lidar de DDU a pu sonder ces aérosos de janvier à octobre 2020. Cela a permis une caractérisation riche des panaches au fil du temps. Leur présence au sein du vortex a été confirmée et pose la question délicate des intéractions entre aérosols carbonés et PSC. La forte destruction d'ozone reportée à DDU en octobre 2020 ne peut être comparée qu'à l'année 2015, marquée par une surcharge en aérosols due à l'éruption du Calbuco. Nous soulignons également l'enjeu technologique autour de la speciation des aerosols sur les signatures fines.Pour s'adapter aux questions scientifiques récentes, une campagne de terrain a permis l'évolution du lidar en place à DDU vers une source laser multispectrale infrarouge / visible / ultraviolet. Cette configuration offre de nouvelles possibilités, dont un accès à la granulométrie qui peut directement résoudre la speciation des aerosols et nuages. L'éruption historique survenue au Tonga en janvier 2022 a injecté une grande quantité d'aérosols, en partie détectés à DDU de février à septembre 2022. Cette thèse inclut donc des travaux sur cet événement utilisant l'instrumentation de campagne en tant que perspective technique et surtout scientifique pour l'étude des aerosols et nuages à haute latitude
As the understanding of the interactions between stratospheric ozone chemistry and climate change progresses, the consequences of both temperature change and perturbations in stratospheric aerosol loading are becoming a topic of major scientific interest.It is well established that volcanism is the main source of stratospheric aerosols and that major volcanic episodes are associated with negative ozone anomalies. However, the high latitude effect of an overload of sulphate aerosols, precursors of polar stratospheric clouds (PSC), remains poorly understood.In addition, stratospheric injections of carbonaceous aerosols have been observed during major fires in recent years. In Canada in 2017 and Australia in 2020, aerosol masses comparable to those emitted by moderate volcanism were reported. This is of great scientific interest, as carbon does not naturally occur in the stratosphere and the effects of its significant intake are yet to be studied. Also, climate change is expected to favour the occurrence of major fires, adding the question of long-term trends in aerosol loading to the need to finely characterise the effect of such a disturbance.PSCs, formed on aerosols, are the precursors of seasonal ozone destruction and are at the heart of these issues. Lidar is a suitable instrument for studying these condensed phases. Using the lidar at the French Antarctic station Dumont d'Urville (DDU) and relevant space instruments, this thesis investigates trends and processes related to PSCs and stratospheric aerosol perturbations.Measurements acquired at DDU use different classifications of PSCs to illustrate fine processes that are only accessible through the geometry of a ground-based instrument. The parameterisation of the PSCs is based on a concise and representative classification, and the coastal location of the station is an advantage due to the high variability of the particle observations it allows. A trend in the number of PSC days per year at DDU from 2007 to 2020 is established by combining lidar and temperature measurements. This trend, of -4.4 PSC days per year per decade, reflects an opposite trend in stratospheric temperatures over this period. The latter, recently confirmed by other studies, raises questions about long-term trends in the context of climate change.The Australian fires in 2020 injected an unprecedented mass of aerosols into the stratosphere, some of which was transported to the high southern latitudes. The DDU lidar was able to probe these aerosols from January to October 2020. This allowed a rich characterisation of the plumes over time. Their presence within the vortex was confirmed and raises the delicate question of the interactions between carbonaceous aerosols and PSC. The high ozone depletion reported at DDU in October 2020 can only be compared to the year 2015, marked by an aerosol overload due to the Calbuco eruption. We also highlight the technological challenge around aerosol speciation on fine signatures.In order to adapt to recent scientific questions, a field campaign allowed the evolution of the lidar installed at DDU towards a multispectral infrared / visible / ultraviolet laser source. This configuration offers new possibilities, including access to granulometry that can directly resolve aerosol and cloud speciation. The historical eruption in Tonga in January 2022 injected a large amount of aerosols, partly detected at DDU from February to September 2022. This thesis therefore includes work on this event using field instrumentation as a technical and especially scientific perspective for the study of aerosols and clouds at high latitudes

De par l'influence radiative globale et permanente des poussières en suspension, la caractérisation microphysique de l'atmosphère martienne est un enjeu scientifique majeur. De plus, malgré un contenu humide restreint, des nuages de glace d'eau similaires aux cirrus terrestres se forment régulièrement. Au cours de cette thèse, le développement d'un modèle de microphysique a permis d'étudier la nature du couplage entre poussières, cristaux et vapeur d'eau. Essentiellement axés sur la structure verticale des brumes martiennes, nos travaux ont permis d'interpréter un jeu de données photométriques ayant abouti sur une estimation de la granulométrie de la poussière et des cristaux de glace. La conclusion de cette étude remet en cause le type de fonction jusqu'alors employée pour décrire le spectre en taille de la poussière, une hypothèse étayée par la structure des spectres de poussière observée dans les déserts sahariens. Par ailleurs, nous avons pu effectuer une analyse approfondie de l'impact de la nébulosité sur le cycle hydrologique martien. Notre introduction d'un schéma de nuages simplifié au sein d'un modèle de circulation générale a permis de quantifier le rôle considérable du transport de la glace atmosphérique sur la distribution géographique de l'eau. Cette étude s'inscrit dans la volonté actuelle de comprendre l'évolution de l'eau sur Mars. Liée à cette thématique, l'étude du cycle du deutérium est primordiale pour estimer la quantité d'eau s'étant échappée vers l'espace par le passé. Ce cycle est en partie contrôlé par un effet de fractionnement se produisant au sein des nuages qu'il nous a été possible d'étudier grâce à notre modèle microphysique. Nos résultats permettent de mieux comprendre la faible concentration en deutérium de la haute atmosphère dont l'observation a longtemps posé problème aux études théoriques passées.

Les lignes de grains sont des systemes precipitants de mesoechelle, dans lesquels les interactions entre dynamique et microphysique jouent un role important. Ces phenomenes ont fait l'objet de nombreuses etudes au cours des dix dernieres annees. Ainsi la plupart des mecanismes de base de ces systemes sont-ils suffisamment connus pour aborder les problemes lies au role des precipitations solides et aux interactions entre les differentes echelles qui les caracterisent. Dans cette etude, une parametrisation de la phase glace est developpee et incluse dans un modele non hydrostatique de nuage. Elle traite plusieurs types de particules et fournit une representation des processus de formation des precipitations et des echanges d'energie lies aux changements de phase. Les caracteristiques des differentes particules ont ete adaptees aux lignes de grains tropicales a partir d'observations et de tests de sensibilite portant sur leurs distributions. Ces experiences permettent d'obtenir une simulation bidimensionnelle tres realiste de la ligne de grains observee le 24 juin 1981 pendant la campagne copt81. Cette simulation est analysee avec de nombreux outils diagnostiques pour comprendre les interactions entre les champs microphysiques, de temperature, de pression et de mouvement et expliquer le role de l'enclume stratiforme sur la zone convective. La phase glace apparait indispensable pour developper la partie statiforme d'une ligne de grains, avec une ascendance et une subsidence de mesoechelle, un courant dirige de l'avant vers l'arriere et un courant oppose sous l'enclume. Cette circulation assure un transport d'air a faible flottabilite vers l'arriere et structure le champ de pression. L'evolution de ce dernier favorise l'existence d'une convergence vers 3 km entretenant cette circulation. Des bilans de source apparente de chaleur, humidite et mouvement apportent une contribution a la parametrisation de la convection

Ce travail presente et analyse une technique radar originale, a deux longueurs d'onde pour identifier l'eau et la glace dans les nuages mixtes. La methode exploite la difference des proprietes dielectriques de l'eau et de la glace. On montre que seule l'eau en phase liquide attenue sensiblement l'onde electromagnetique; en mesurant simultanement l'attenuation differentielle (entre les deux frequences) et la reflectivite radar, on peut quantifier les contenus en air liquide et en glace au sein du nuage. On aborde ensuite le probleme instrumental pour etablir les specifications d'un systeme bi-frequence optimal; il est demontre qu'un radar operant aux frequences 10 et 35 ghz satisfait le mieux aux criteres de sensibilite, de precision des mesures et d'encombrement. On analyse egalement les divers aspects a considerer pour la mise en uvre experimentale de la technique. On etudie les sources d'erreurs, on etablit un lien entre les caracteristiques instrumentales et la fiabilite des resultats. En particulier, l'existence d'un compromis entre la resolution spatio-temporelle du radar et la precision des mesures est mise en evidence. Pour valider la methode, on presente des simulations de sondages (10. 35 ghz) dans des milieux mixtes; ceci permet de determiner l'influence de la microstructure du nuage sur la qualite des resultats. Les resultats obtenus rendent tout a fait credible l'utilisation de la technique proposee

Le travail présenté dans ce document s'inscrit dans le contexte de la diminution de l'ozone stratosphérique observée en région polaire, encore mal quantifiée par les modèles. Dans ce contexte général, nous nous focalisons sur deux processus importants de la stratosphère polaire : l'étude des nuages stratosphériques polaires (PSC), et celle des interactions entre composés halogénés et composés azotés. Pour se faire, le modèle lagrangien MiPLaSMO a été développé. Il contient un module détaillé de PSC, un module de chimie et un module de trajectoire. Concernant les PSC, les théories récentes de formation des nuages concernant le seuil de surfusion des particules liquides et la congélation en glace ont été validées. Nous avons également confirmé la nécessité de prendre en compte des ondes de montagne pour interpréter les mesures microphysiques en Arctique. L'impact des PSC d'onde de montagne sur l'activation du chlore semble significative. Concernant l'étude des interactions entre composés halogénés et composés azotés, nous avons montré, pour tous les cas étudiés, une sous-estimation systématique de NO2 par le modèle. Parallèlement, un accord entre mesures et modélisation de OClO est observé en dessous de 21 km. Au-delà un accord est possible dans le vortex si l'on tient compte des incertitudes sur les réactions chimiques faisant intervenir les NOx. En outre, une grande sensibilité de OClO envers NO2 est mis en évidence, due à la réaction BrO + NO2. On montre que résoudre la sous-estimation de NO2 dans les modèles impliquerait une sous-estimation des composés halogénés actifs. Cela met en évidence que les interactions ClOx-NOx sont mal comprises. Un accord simultané de OClO et de NO2 est possible lorsque ces interactions n'ont pas lieu (situation dénoxifiée) ou si le brome est maintenu sous forme active quand le NO2 simulé est en accord avec la mesure. Ces résultats encouragent à effectuer d'autres mesures simultanées de Cly et de NOy.