Rétrodiffusion (UV, VIS) résolue en polarisation de particules d’origine désertique : expériences de laboratoire et en atmosphère réelle par lidar

Polarization resolved Backscattering (UV, VIS) of mineral dust particles : laboratory experiments and atmospheric observations by lidar

• Auteur / Autrice : Tahar Mehri
• Direction : Alain Miffre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 21/09/2018
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Lumière Matière
• Jury : Président / Présidente : Alfonso San Miguel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Miffre, Myriam Raybaut, Clemence Pierangelo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-François Léon, Karine Sellegri

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lidar

Polarimétrie

Rétrodiffusion

Aérosols atmosphériques

Mots clés libres

Aérosol atmosphérique

Rétrodiffusion

Polarimètre

Lidar

Atmospheric aerosol

Backscattering

Polarimeter

Lidar

Résumé

Ces travaux de thèse, réalisés à l’Institut Lumière Matière, traitent de la rétrodiffusion optique des particules de l’atmosphère d’origine désertique, dont l’impact sur le bilan radiatif terrestre reste à quantifier, en raison de leur grande diversité de taille, de forme et de composition chimique. La thèse repose essentiellement sur un polarimètre de laboratoire (UV, VIS) adressant la géométrie de rétrodiffusion avec précision (180.0 +/- 0.2°). Le rapport des éléments de la matrice de rétrodiffusion a ainsi été évalué avec précision (< 1 %) et la réponse spectrale (UV, VIS) de ce rapport a ainsi pu être étudiée, ce qui a permis de discuter de l’applicabilité du modèle mathématique des sphéroïdes, décrit par le code T-matrix, pour décrire la rétrodiffusion optique de ces particules dans la géométrie d’exacte rétrodiffusion, comme publié dans JQSRT en 2016. Puis, l’utilisation de ce Pi-Polarimètre dans la troposphère libre de Lyon par lidar a permis d’évaluer la concentration en masse des particules désertiques. Cette évaluation a été réalisée pour différents modèles de forme (sphéroïdes, particules de surface lisse, rugueuse) obtenus par simulation numérique en coopération avec l’équipe de T. Nousiainen (Finlande). Un résultat majeur est que la concentration en masse peut différer de 30 % selon le modèle de forme choisi, comme publié dans Atmospheric Research en 2018. Enfin, la sensibilité et la précision du Pi-Polarimètre (UV, VIS) ont été utilisées pour révéler les principales caractéristiques du processus photo-catalytique de nucléation en présence de particules désertiques via des observations systématiques de ce processus, réalisées sur une durée de deux années

These thesis studies, carried out at the Institute of Light and Matter (ILM), deal with the optical backscattering of atmospheric particles of desert origin, whose impact on the terrestrial radiative budget remains to be quantified, due to their great diversity of size, shape and chemical composition. The thesis is essentially based on a laboratory polarimeter (UV, VIS) addressing the backscattering geometry with accuracy (180.0 +/- 0.2 °). The report of the backscattering matrix elements was thus accurately evaluated (<1%) and the spectral response (UV, VIS) of this report was thus studied, which made it possible to discuss the applicability of the spheroidal mathematical model, described by the T-matrix numerical code, to describe the optical backscattering of these particles in the exact backscattering geometry, as published in JQSRT in 2016. Then, the use of this Pi-Polarimeter in the troposphere free of Lyon by lidar made it possible to evaluate the mass concentration of desert dust particles. This evaluation was carried out for different shape models (spheroids, smooth particles, rough particles) obtained by numerical simulation in cooperation with T. Nousiainen’s group (Finland). A major result is that the mass concentration may differ by 30 % depending on the chosen dust shape model, as published in Atmospheric Research in 2018. Finally, the sensitivity and accuracy of the Pi-Polarimeter (UV, VIS) have been used to reveal the main characteristics of the photo-catalytic process of nucleation in the presence of desert dust particles via systematic observations of this process, carried out over a two years period