L’aérosol des propriétés microphysiques à l’interaction avec le rayonnement

Les incertitudes liées aux aérosols sont très importantes (Chapitre 1). En effet, les aérosols ont une très courte durée de vie, de quelques heures à quelques jours surtout dans la basse troposphère, et leur nature dépend de sources de production diverses. Ils varient alors rapidement dans le temps et dans l’espace, leur répartition horizontale et dans la colonne d’air est donc très hétérogène ce qui rend leur étude compliquée. L’aérosol a un impact encore mal connu sur le bilan radiatif du système Terre/Atmosphère via ses interactions avec les rayonnements solaire et tellurique. Il est aussi l’une des composantes importantes à surveiller pour la pollution en milieu urbain et périurbain. L’effet environnemental régionalisé des aérosols influence également considérablement l’échelle globale (IPCC 2007). Ainsi, tant sur l’aspect climatique qu’en terme de pollution atmosphérique, il est plus que nécessaire de mieux quantifier les incertitudes liées aux aérosols et de les réduire en améliorant la qualité des ensembles de données d’observation. On détaille dans ce chapitre l’ensemble des paramètres pertinents qui pourront être restitués par la mesure pour les impacts climatiques et sanitaires de l’aérosol. Les méthodes de résolution de l’équation de transfert radiatif sont aussi décrites à partir des lois d’interaction entre une particule et le rayonnement incident.

Origine et composition chimique

La variabilité des sources d’émission et des processus de formation et d’évolution des particules dans l’atmosphère conduit à une grande variété de compositions et de types d’aérosols dans le temps et l’espace. Selon leur origine, les aérosols sont classés en deux familles principales, les sources naturelles et les sources anthropiques. La source naturelle représente environ 80-95% de la masse des aérosols émis dans l’atmosphère c’est-à-dire environ 3000 millions de tonnes par an (Seinfeld and Pandis, 1998). Les sources naturelles sont constituées principalement d’aérosols minéraux (35-50%) et de sels marins (35-55%). Les sources anthropiques (5-10% des émissions totales de particules) sont issues principalement des rejets industriels (fumées, poussières,…), des trafics routier et aérien, des combustions (usines, secteur résidentiel,…), de l’incinération des ordures, des chantiers de construction ou encore de l’agriculture. Cette moindre importance numéraire des émissions anthropiques par rapport aux sources naturelles ne doit pas masquer leur rôle du fait de tailles bien plus faibles, favorables à l’extinction du rayonnement. A cela s’ajoute, comme on le verra dans la suite, la différence de propriétés optiques induite par la proportion de suie au sein de la particule. Les principaux types d’aérosols naturels ou anthropiques qui peuvent être rencontrés dans l’atmosphère terrestre sont donnés dans le Tableau 2.1. Une autre classification consiste à différencier aérosols primaires et secondaires (Tableau 2.1). On parle d’aérosols primaires lorsque ce sont des particules émises directement dans l’atmosphère sous forme solide ou liquide comme par exemple les aérosols minéraux résultant de l’érosion des sols et de la resuspension, les embruns marins et les cendres volcaniques. Le carbone suie est également émis directement par les processus de combustion de la biomasse ou des fuels fossiles. A l’inverse, les aérosols secondaires résultent de réactions chimiques en phase gazeuse (oxydation par l’ozone ou les radicaux hydroxyles) par un processus de conversion gaz – particules via les phénomènes de nucléation, condensation ou production en phase aqueuse. Les gaz précurseurs proviennent essentiellement de processus de combustion et de l’émission naturelle du sol ou suite à l’utilisation d’engrais. Ainsi, une bonne partie des sulfates, des nitrates (composés inorganiques de même que l’ammonium, le chlore, le sodium ou le calcium), certains métaux comme le magnésium, l’aluminium, le fer et une partie des particules organiques présentes dans l’atmosphère sont des aérosols secondaires (carbone organique résultant de la condensation, de l’oxydation des composés organiques volatiles ou de la combustion de biomasse). Tableau 2.1 : Principales sources d’aérosols primaires et secondaires dans l’atmosphère et leurs flux d’émission moyens annuels d’après Kiehl and Rodhe (1995) et Seinfeld and Pandis (1998), IPCC (1995), IPCC (2001) (Source : Chazette (2002b)).

Il convient alors de préciser qu’une bonne évaluation des propriétés optiques de l’aérosol atmosphérique ne nécessite pas de connaître la spéciation complète de l’aérosol, en particulier celle de l’aérosol organique. Avec la même approche que celle utilisée dans l’article de Chazette and Liousse (2001), l’aérosol sera partitionné, sauf mention contraire (article en annexe de Raut et al. (2008a)), en cinq grandes classes que sont la partie organique (POM déduit du carbone organique OC), les particules solubles autres qu’organiques (WS), le carbone suie (BC), les poussières (Dust) et les sels de mer (SS). • Les aérosols de sulfates sont majoritairement d’origine volcanique : le dioxyde de soufre SO2 émis lors des éruptions volcaniques produit ces fines particules d’acide sulfurique (SO2 + H2O → H2SO4) qui s’entourent de glace et forment avec les cendres un écran empêchant le rayonnement solaire d’arriver jusqu’au sol. Ils ne sont pas considérés dans ce travail de thèse car ils sont majoritairement concentrés dans la stratosphère. Il faut y ajouter les émissions industrielles dans la troposphère : SO2 est en effet un polluant réglementé. Avec la diminution du soufre dans l’essence depuis 1994 (limitations européennes à 50 ppm en 2005 puis 10 ppm en 2009 dans les carburants diesel), la quantité de sulfates a également diminué dans les grandes agglomérations comme paris. Néanmoins, beaucoup de rejets sont encore liés à l’activité industrielle. Les sulfates sont pris en compte dans la partie WS. Collecter ces constituants de base et mesurer leurs propriétés physico-chimiques (taille des particules, indice de réfraction) n’est pas une mince affaire car ces dernières varient parfois fortement pour un même constituant.