Cycle de l’aérosol désertique. Permanents : S. Alfaro, M. Attoui, G. Bergametti, C. Bouet, J. Cuesta, K. Desboeufs, F. Dulac, G. Forêt, P. Formenti, E.

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1 Cycle de l’aérosol désertique

2 Permanents : S. Alfaro, M. Attoui, G. Bergametti, C. Bouet, J. Cuesta, K. Desboeufs, F. Dulac, G. Forêt, P. Formenti, E. Journet, S. Lafon, B. Laurent, R. Losno, B. Marticorena, J.P. Quisefit,J. L. Rajot. Département Technique : P. Ausset, E. Bon Nguyen, A. Campos, B. Chatenet, S. Chevaillier, C. Gaimoz, N. Grand, M. Maillé, S. Morales, N. Ouboulmane (CDD), C. Pennanech, S. Perrier, C. Schmechtig, G. Siour, S. Triquet, P. Zapf. Post-doc, ATER : C. Bouet, C.Denjean, C. Di Biagio, A. Heimburger, R. Paris, H. Yahi. Thésard : V. Flores-Aqueveque, A. Heimburger, E. Journet, A. Klaver, M. Labiadh, R. Paris, C. Pierre, Z. Qu, M. Sow, J. Vincent.

3 Le cycle des aérosols désertiques (Mahowald, Webpage) EMISSIONS TRANSPORT DEPOT

4 Impacts des aérosols désertiques (Mahowald, Webpage) EMISSIONS TRANSPORT DEPOT Erosion, Pertes en sol, en fertilité Effets radiatifs direct et indirect, Impact sur la chimie atmosphérique Dépôts de nutriments aux écosystèmes éloignés

5 Impacts des aérosols désertiques (Mahowald, Webpage) EMISSIONS TRANSPORT DEPOT Erosion, Pertes en sol, en fertilité Dépôts de nutriments aux écosystèmes océaniques Effets radiatifs direct et indirect, Impact sur la chimie atmosphérique

6 Spécificités du LISA Des contributions sur les trois termes du cycle et les trois impacts associés : - Emission  Erosion, pertes en sol - Transport  Propriétés optiques  Effet radiatif direct - Dépôt  Solubilité  Apport en nutriments aux océans  Une expertise ancienne et établie sur les émissions et le dépôt : Mesure de flux d’émission et de dépôt, description explicite des processus et modélisation locale et régionale  Une expertise reconnue sur la caractérisation physico-chimique des aérosols et l’établissement de liens avec les propriétés qui conditionnent leurs impacts : propriétés optiques, solubilité des aérosols.  Une grande expérience des mesures à long terme  Des compétences analytiques sur les mesures d’éléments en trace  Un investissement plus récent sur la modélisation 3-D : CHIMERE-Dust

7 Des développements originaux Prélèvement et analyse in-situ Observatoire Laboratoire

8 Des développements originaux Réseaux de mesures Sahelian Dust Transect (depuis 2006) M'Bour (Sénégal) Bambey (Sénégal) Cinzana (Mali) Banizoumbou (Niger) - Concentration PM10 - Dépôt total et humide insoluble -Epaisseur optique en aérosols DEMO (depuis 2011) - Dépôt total insoluble Collecteur automatique CARAGA Casset Lampedusa Ersa Mallorca Frioul Montandon Granada Médenine

9 Des développements originaux Modèle régional CHIMERE-Dust Modèle d’émission + données de surface (Laurent et al., 2007) Optimisation dépôt (Forêt et al., 2006) ___ Mesure ___ CHIMERE Validation – Données SDT (Schmechtig et al., 2011)

10 Les zones d’études Sahara Sahel Méditerranée Atlantique tropical Hémisphère nord Hémisphère sud Kerguelen Crozet

11 EMISSIONS PROPRIETES OPTIQUES DEPOT et SOLUBILITE

12 EMISSIONS : Les enjeux et les questions

13  Processus d’émission  Les modèles d’émission permettent d’estimer correctement les flux d’émission en masse mais pas en taille ni en composition alors que cela conditionne leur transport et leurs impacts.  Des processus spécifiques aux zones arides doivent être représenté pour tenir compte de l’effet de la végétation  Quantification des émissions en zones semi-arides  Les zones arides sont soumises à une pression anthropique croissante et à des conditions climatiques très contrastées.  Quelle est la distribution en taille et la composition à l’émission ?  Comment la végétation saisonnière naturelle et cultivée module-t- elle les émissions ?  Quelles quantités sont émises en zones semi-arides? Comment vont-elles évoluer ?

14 1. EMISSIONS  Des mesures de référence pour améliorer la représentation du processus de sandblasting dans les modèles d’émission (Sow et al., 2009) La distribution en taille à l’émission varie selon les conditions dynamiques : la proportion relative des particules fines augmente plus élevée pour les vitesses de friction les plus fortes Premières mesures de flux d’émission résolus par classe de taille X 2 X 10

15 1. EMISSIONS : prospective  Une description complète du tri granulométrique à l’émission et de ses conséquences en terme de composition Granulométrie du sol Granulométrie du flux de saltation ENJEU 1 : Contraindre la représentation du tri granulométrique sol/flux de saltation en fonction des conditions dynamiques STRATEGIE : Analyse granulométrique de données in-situ de sols et de flux de saltation (Sud Tunisien, Niger) ENJEU 2 : Représenter les conséquences de ce tri granulométrique en terme de composition des aérosols STRATEGIE : -Génération d’aérosols au laboratoire à partir de sols de zones sources (Sahara, Sahel) - Analyses chimique et minéralogique résolues par classe de taille - Paramétrisation en fonction du sol parent

16 1. EMISSIONS Dynamique de l’érosion sur des parcelles cultivées  Importance des surfaces cultivées et des pratiques culturales sur les émissions sahéliennes (Abdourhamane Touré et al. 2011) Erosion maximale en saison des pluies = convection Intensité reliée aux taux de résidus Erosion en saison sèche sur les surfaces nues

17 EMISSIONS : prospective Enjeu Quantifier l’érosion éolienne sur des surfaces cultivées et pâturées en zones semi-arides en identifiant les pratiques culturales les plus agressives Stratégie - Modélisation des flux d’érosion éolienne en fonction de l’occupation du sol et des pratiques agricoles - Validation à l’échelle régionale par mesures in-situ sur des états de surface représentatifs de l’utilisation des sols dans le Sud Tunisien OASIS PARCOURS OLIVERAIE

18 1. EMISSIONS Impact de la végétation naturelle sur les émissions sahéliennes dans un Sahel « naturel » Modèle d’émission du LISA – modèle de végétation STEP  La végétation saisonnière et l’humidité des sols réduisent les émissions de - 20 à - 39 % (Pierre et al. 2012) Différence d’émissions avec et sans végétation Emissions simulées non nulles + végétation saisonnière simulée

19  émissions locales en début de saison des pluies liées à l’activité convective Fortes émission locales en début de saison humide 1. EMISSIONS (Marticorena et al., 2010) - Cinzana, Mali - Pas d’emissions locales en saison sèche Impact de la convection sur les émissions locales

20 EMISSIONS : prospective Climate Agriculture and Vegetation Impacts on Aeolian eRosion in the Sahel Soc. & Env., 2013-2016, coll/. GET, CNRM, CIRAD, Bioemco, JEAI ADE Enjeu Décrire l’évolution de l’érosion éolienne au Sahel en liaison avec les modifications climatiques et d’usage des sols au cours du passé récent (50 ans) Stratégie - Modélisation de la végétation naturelle et cultivée -Représentation des « coups de vents » liés à la convection - Validation Actuel et Passé

21 PROPRIETES OPTIQUES : Les enjeux et les questions

22  Comment estimer correctement cet effet? Comment réduire les incertitudes sur les propriétés optiques en zone source et au cours du transport? L’effet radiatif direct des poussières atteint plusieurs W m -2 sous le vent des zones sources  Rôle sur la stabilité et la dynamique atmosphérique, la formation des nuages... Les propriétés optiques dépendent des propriétés physico-chimiques (granulométrie, minéralogie, forme) des aérosols qui varient d’une source à l’autre et évoluent au cours du transport  Comment varient les propriétés physico-chimiques selon les zones sources ? Quels processus physico-chimiques les modifient au cours du transport ?  Peut-on relier les propriétés physico-chimiques et optiques ?

23 Variabilité de la composition minéralogique à l'émission Observations de terrain en zone source (AMMA, DODO, GERBILS, ….) Formenti et al., 2008; Klaver et al., 2011; Klaver, 2012; Formenti et al., 2013a en prép. 2. PROPRIETES OPTIQUES PSA2 PSA5 Sahel  Composition minéralogique régionale selon les principales zones sources sahariennes et sahéliennes

24 Spéciation des oxydes de fer Klaver, 2012; Formenti et al., 2013b, en prép.  Oxydes de fer: Goethite > Hématite quelle que soit la zone source  Absorption: Goethite < Hématite  Meilleur accord avec les observations? 2. PROPRIETES OPTIQUES Pourcentage massique d'oxide de fer

25 2. PROPRIETES OPTIQUES Diffusion  Cette approche reproduit correctement les mesures à toutes les longueurs d'onde Klaver, 2012  Absorption  Sensibilité à l'état de mélange et taille des oxydes de fer  Incertitudes sur les mesures de référence  OK pour estimer l'épaisseur optique (diffusion > absorption)  Poursuivre l'étude pour l'albédo de simple diffusion Fermeture optique en zone source

26 2. PROPRIETES OPTIQUES : prospective ENJEU : Estimer les propriétés optiques des aérosols dans l’IR (bilan radiatif; télédétection) STRATEGIE : - Génération d’aérosols / injection dans la chambre de simulation atmosphérique CESAM -Mesures in-situ de spectres d’absorbance (2.5-25 µm) -Simulation des spectres en fonction de la composition, taille et forme (mesurées) Bande d'absorption (9-10 µm) des principaux minéraux  fênetre atmosphérique Altération de la ligne de base par la diffusion fond Début d'injection Injection complète CESAM

27 2. PROPRIETES OPTIQUES : Prospective ENJEU : Représenter l’évolution des propriétés optiques au cours du transport STRATEGIE : -Observations de terrain en zones de transport ciblées en fonction de leur environnement et à différents temps de transport - Etude de processus en chambre de simulation atmosphérique CESAM : aérosols générés + réactions hétérogènes AVIRAD

28 ENJEU : Représenter l’évolution des propriétés optiques au cours du transport STRATEGIE : 1. Observations de terrain en zones de transport ciblées en fonction de leur environnement et à différents temps de transport - Etude de processus en chambre de simulation atmosphérique CESAM : aérosols générés + réactions hétérogènes 2. PROPRIETES OPTIQUES : Prospective Caraïbes AOS biogéniques, sels de mer projet Dust-Attack, programme PUF Caraïbes AOS biogéniques, sels de mer projet Dust-Attack, programme PUF Namibie mélange biomass burning projet GRDI-ARSAIO, CNRS Namibie mélange biomass burning projet GRDI-ARSAIO, CNRS Méditerranée Pollution, sels de mer projet ChARMEx, CNRS & ANR Méditerranée Pollution, sels de mer projet ChARMEx, CNRS & ANR Hsu et al., 2012 PEGASUS AVIRAD

29 2. PROPRIETES OPTIQUES : Prospective ENJEU : Représenter l’évolution des propriétés optiques en zone de transport STRATEGIE : 1. Observations de terrain en zones de transport ciblées en fonction de leur environnement et à différents temps de transport 2. Etude de processus en chambre de simulation atmosphérique CESAM : aérosols générés + réactions hétérogènes PEGASUS AVIRAD  Développer des paramétrisations utilisables dans des modèles 3-D CESAM SO 2, HNO 3, COV

30 3. DEPOT ET SOLUBILITE: Les enjeux et les questions

31 Les dépôts atmosphériques d’aérosols désertiques constituent une source de nutriments (Fe, P,..) limitant le fonctionnement de certains écosystèmes océaniques éloignés et susceptibles d’impacter leur rôle de puits de CO 2. = Rétro-action sur le climat (Mahowald, Science, 2011) Les dépôts d’aérosols désertiques sont très peu documentés. Seule la fraction soluble des éléments d’intérêt est potentiellement assimilable par les écosystèmes  Quelle est l’ordre de grandeur des flux de dépôt d’aérosol selon la distance aux sources et leur variabilité temporelle ?  Quelle est la solubilité des éléments qui jouent le rôle de nutriments et quels sont les facteurs qui la contrôle ?

32 Première mesure directe des flux de dépôts dans l’océan austral Zone Australe : îles des Kerguelen et de Crozet (Heimburger et al., 2013b) 3. DEPOT ET SOLUBILITE  Rôle clé des flux de poussières dans l’océan Austral Kerguelen 2 Kerguelen 1 Crozet (Heimburger et al., 2013a) = 10 fois plus que les estimations précédentes ! Flux moyen 650 µg.m -2.j -1 Solubilité 80 % (Heimburger et al., 2012a)

33 Première estimation de la fraction de fer soluble dans les aérosols sahariens en région source (Desboeufs et al., 2010 ; Paris et al., 2010)   une gamme de valeurs cohérente avec les mesures en Atlantique 3. DEPOT ET SOLUBILITE % FeS Minimum0,07 Percentile 250,19 Mediane0,39 Percentile 751,18 Maximum3,88 nombre48 (x55)

34 Etudes des facteurs déterminants la solubilité du fer (Journet et al., 2008) Argiles (Hydr)oxydes de Fe Fe structural 2. DEPOT ET SOLUBILITE  Mise en évidence du rôle déterminant de la minéralogie pour estimer la solubilité du fer SFe tot = Σ (SFe mineral x % Fe mineral ) (Paris et al., 2011) SFe mesurée SFe calculée Analogues d’aérosols sahariens

35 Etudes des facteurs déterminant la solubilité du fer : mise en évidence de l’effet des composés organiques Solubilité du fer en présence de ligands (Paris et al., 2011 et 2013) 3. DEPOT ET SOLUBILITE  La présence de composés organiques peut induire une augmentation de la solubilité jusqu’à 20% au cours du transport

36 STRATEGIE: - Paramétrisation de la solubilité des nutriments (Fe, P) en fonction de la minéralogie à la source (Sahara, Patagonie) - Evolution de la solubilité au cours du transport Mesure de dépôt (masse, composition) ENJEU : Représenter les flux de dépôts en nutriments (Fe, P) à l’échelle régionale (Méditerranée et Zone Australe) Génération d’aérosols pour différents sols parents Expériences de dissolution en réacteur Minéralogie des sols en zones sources  CHIMERE-Dust Minéralogie des sols en zones sources  CHIMERE-Dust Simulation des flux de dépôt atmosphérique en Fe et P 3. DEPOT ET SOLUBILITE : Prospective

37 CHIMERE-Dust : Prospective ASTRID., 2013-2015, coll. Numtech Etude de sensibilité au forçage météorologique Evaluation/validation par comparaison à des données existantes : Granulométrie, dépôts, AOD : mesures in-situ des campagnes intensives (AMMA; SAMUM; etc...); mesures à long-terme (SDT, AERONET, IDAF) Sources, Distribution horizontale et verticale : Produits satellites (MODIS deep-Blue; AOT IR et altitude de IASI,..) ENJEU CHIMERE : un outil 3-D transverse pour l’évaluation des impacts (pertes en sol, effet radiatif, apport de nutriments)  il doit reproduire de façon fiable les termes du cycle des aérosols désertiques et les propriétés qui conditionnent ses impacts. STRATEGIE

38 Des Atouts : - Un fort potentiel humain - Une expertise reconnue sur chacun des termes du cycle des aérosols désertiques - Des plateformes de mesures in-situ, d’analyse et de simulation spécifiques Des Challenges: - Scientifique : des activités convergentes sur la minéralogie; un problème partagé de taille et de bilan de masse - Méthodologique : - retour à la simulation expérimentale - des attentes en modélisation 3-D pour nos besoins et pour les autres (prévision, climat)