Modélisation des processus biophysicochimiques des nuages
Participants : Nadine Chaumerliac, Laurent Deguillaume
Collaborations: LISA (Créteil), LA (Toulouse), LCP (Marseille), IfT (Leipzig)
L'étude des nuages est complexe et multiforme. Ils sont le siège d'interactions entre de nombreux processus : microphysiques, radiatifs, diabatiques, dynamiques, électriques, physico-chimiques et photochimiques voire biologiques. Les nuages sont multiphasiques et l'eau ou les impuretés qui les composent ont des propriétés thermodynamiques, optiques et chimiques très diverses. Leur étude nécessite la connaissance de la quantité de produits redistribués par les nuages après lessivage, après dépôt et photolyse perturbée par les interactions nuage/rayonnement. Tous ces processus sont fortement dépendants des caractéristiques microphysiques des nuages et des aérosols.
Figure 1 : Diagramme schématique des interactions nuage/rayonnement/chimie
Nos activités se situent dans ce cadre très large et s’établissent selon deux approches complémentaires :
- la validation (pour la phase liquide) et le développement (pour les aérosols et la phase glace) de paramétrisations sous forme de modules intégrables dans des modèles de transport de plus grande échelle (RAMS, MESONH, COSMO notamment).
- la mise en œuvre de mesures chimiques en nuages naturels qui doivent être effectuées dans l’air et dans les hydrométéores liquides et glacés (au sol ou en avion).
La représentation du lessivage et du dépôt humide dans les modèles est encore très grossière car la plupart du temps elle repose sur l’utilisation de paramètres prescrits ou d’hypothèses sur le contenu en eau, les conditions thermodynamiques le plus souvent considérées à l’équilibre, les processus microphysiques. Pour pallier ces insuffisances, des expériences en laboratoire et des simulations à l’échelle sous-maille sont nécessaires.
C’est dans cet esprit que s’effectue le développement et l’application du modèle de chimie multiphasique M2C2 (Multiphase Model for Cloud Chemistry) qui couple chimie et microphysique, où de nouvelles paramétrisations sont mises au point en les confrontant aux données de laboratoire ou données in-situ (station du Puy de Dôme) avant leur introduction dans des modèles de plus grande échelle.
Figure 2 : Exemple de résultats obtenus avec le modèle M2C2 : la production d’acide nitrique dans la pluie augmente la production totale d’acide nitrique dans le nuage. La voie principale de production étant la réaction entre l’acide pernitrique HNO4 et l’acide sulfurique HSO3- (condition hivernale polluée).
Ainsi, des études théoriques ont permis d’évaluer le rôle des métaux de transition pour les niveaux atmosphériques de concentrations des radicaux (HOx) et pour d’autres polluants comme l’acide nitrique, les composés volatils organiques, les sulfates.
C’est un outil puissant pour :
(1) déterminer les voies principales de photo ou de bio-dégradation dans l’atmosphère en fonction des conditions environnementales (origine de la masse d’air, présence de nuages, pH…)
(2) évaluer la contribution des processus microphysiques chauds et glacés sur la partition des espèces chimiques dans les différentes phases du nuage
(3) d’interpréter les mesures physico-chimiques effectuées dans le cadre du Service d’Observation BEAM de l’OPGC.
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