Size distribution of fine particles in the cycle of desert dust
La distribution en taille des particules fines dans le cycle des poussières désertiques
Résumé
Desert dust is a major component of the climate system. These aerosols are released by aeolian abrasion of the soil surface in arid and semi-arid regions and they have a significant impact on the environment from their emission to their final deposition. However, their effect on the Earth’s radiative balance is still largely uncertain because of the diversity of their physical and chemical properties.Therefore, predicting the impact of these aerosols on climate requires a better assessment not only of the magnitude of the emission fluxes but also of their physico-chemical characteristics. Among these, size-distribution is crucial for quantifying the particles atmospheric residence time (the smaller they are, the farther they can be transported) and their interactions with the environment.The main objective of this Ph. D. is to document the size-resolved concentration of desert dust all along its atmospheric cycle in order to better constrain the emission/transport/deposition modelling of these aerosols. The data were essentially acquired in south Tunisia over the experimental plot of the Institut des Régions Arides of Médenine, during the 2017 and 2018 field campaigns of the WIND-O-V (WIND erOsion in presence of sparse Vegetation) project.The analysis of the collected data allowed us to 1) assess the magnitude and size-distribution of the vertical emission flux by application of the gradient method in 11 size-classes between 0.46 and 8.66 µm as well as the dynamical factors controlling them, 2) improve the current emission models and discuss their discrepancies, and 3) document the size-distribution of the particles transported in the atmosphere outside the erosion periods.In particular, this study showed for the first time that the size-distribution of the vertical flux does not depend only on the wind friction velocity but also on the thermal stability of the Surface Boundary Layer (SBL). Indeed, the vertical flux of particles smaller than approximately 4 µm increases with wind speed but also very rapidly with instability, and this even more so as the particles become finer. For particles with above 4 µm diameter, instability plays a negligible role. Conversely, the increase of the vertical flux with u_* is faster for the coarsest particles, which leads to an overall enrichment of this type of particles by strong wind.These results led me to propose a new parameterization, based on the Gillette & Passi (1988) equation, and in which the increase of the vertical flux with both u_* and the SBL instability are accounted for. As compared to the previous model, this new parameterization improves significantly the representation of the vertical flux measured on the field.Finally, by analyzing the number and volume size-distributions of the transported aerosols, the presence of three modes of particles could be evidenced. One fine and one intermediary modes centered on 0.6 and 2 µm dominate the number size-distributions. In the volume ones, the fine mode is negligible and the intermediated mode located around 4 to 5 µm coexist with a coarse mode centered on 10 to 12 µm. The proportions of these modes can be linked to the dynamical conditions prevailing during the emission (the most energetic events being enriched in fine and intermediate modes), subsequently modified by selective deposition of the coarsest mode during a more or less long-range transport.
Les aérosols d’origine désertique sont une composante majeure du système climatique. Ces aérosols sont émis depuis les régions arides et semi-arides de la planète par érosion éolienne de la surface du sol et jouent un rôle significatif sur l’environnement depuis leur zone d’émission jusqu’en zone de retombée. A l’heure actuelle, leur rôle dans le bilan radiatif terrestre reste indéterminé du fait de la diversité de leurs propriétés physiques et chimiques résultant de la diversité de leurs origines.Afin de prédire l’impact de ces aérosols sur le système climatique, il convient donc non seulement d’en quantifier les émissions, mais également de caractériser leurs propriétés physico-chimiques. Parmi celles-ci, la granulométrie (ou distribution en taille) est un élément fondamental pour caractériser le temps de résidence de l’aérosol dans l’atmosphère (plus les particules émises seront fines, plus elles pourront être transportées sur de longues distances et inversement) et les interactions de cet aérosol avec l’environnement.C’est pourquoi ce travail de thèse a pour principal objectif de documenter la concentration résolue en taille de l’aérosol désertique tout au long de son cycle afin de réduire les incertitudes dans les modèles d’émission-transport-dépôt de ces aérosols.Cette thèse s’appuie principalement sur les données acquises pendant les deux campagnes expérimentales réalisées aux printemps 2017 et 2018 en conditions d’émission et de transport sur la parcelle expérimentale de l’Institut des Régions Arides de Médenine dans le sud tunisien dans le cadre du projet ANR WIND-O-V.Les données collectées nous ont permis de 1) déterminer l’intensité et la distribution granulométrique du flux vertical par la méthode du gradient sur 11 classes de tailles comprises entre 0,46 et 8,66 µm et les facteurs dynamiques qui les contrôlent, 2) améliorer les modèles existants du flux vertical à l’émission et de rediscuter les désaccords entre eux, 3) étudier la granulométrie des particules advectées en-dehors des périodes d’érosion active.En particulier, cette étude a mis en évidence que la distribution granulométrique du flux vertical dépend non seulement de la vitesse de friction, mais également de la stabilité thermique de la couche limite de surface. Le flux vertical des particules de taille inférieure à environ 4 µm augmente avec la vitesse de friction mais aussi très rapidement avec l’instabilité thermique, et ce d’autant plus que les particules sont fines. Pour les particules plus grosses que 4 µm, l’effet de l’instabilité est négligeable. En revanche, le flux augmente d’autant plus vite avec u_* que les particules sont grosses, ce qui conduit à un enrichissement du flux vertical en conditions de vent fort.Ces résultats m’ont conduit à proposer une nouvelle paramétrisation basée sur l’équation proposée par Gillette & Passi (1988) dans laquelle on prend en compte non seulement l’augmentation du flux vertical avec u* mais aussi l’effet de l’instabilité de la couche limite de surface. Cette nouvelle paramétrisation améliore de façon significative la représentation des flux verticaux mesurés.Finalement, on analysant la distribution granulométrique en nombre et en volume des épisodes d’advection, on a pu mettre en évidence la présence de trois modes de particules. Un mode fin et un mode intermédiaire centrés sur 0.6 et 2 µm dominent dans les distributions en nombre. Dans les distributions en volume, le mode fin est négligeable et le mode intermédiaire situé autour de 4 à 5 µm coexiste avec un mode grossier centré sur environ 10 à 12µm. Les proportions de ces modes dans l’aérosol transporté sont liées aux conditions dynamiques régnant lors de l’émission (les évènements les plus violents étant enrichis en particules fines et intermédiaires), éventuellement modifiées du fait d’un transport plus ou moins lointain.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)