Nucléation et formation de nouvelles particules à haute altitude

Nucleation and new particle formation at high altitudes

• Auteur / Autrice : Clémence Rose
• Direction : Karine Sellegri, Nadine Chaumerliac
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'Atmosphère
• Date : Soutenance le 07/11/2014
• Etablissement(s) : Clermont-Ferrand 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de météorologie physique (Clermont-Ferrand) - (LaMP) Laboratoire de météorologie physique
• Jury : Président / Présidente : Alfons Schwarzenböeck
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Karine Sellegri, Nadine Chaumerliac, Paolo Laj, Wolfram Birmili
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Villenave, Jean-François Doussin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Condensation (météorologie)

Nucléation (météorologie)

Mots clés libres

Aérosol

Nucléation

Croissance

Altitude

Précurseur

Aerosol

Nucleation

Growth

High altitude

Precursor

Résumé

La formation de nouvelles particules est un processus complexe à l’origine d’une fraction importante des concentrations en nombre de particules observées dans l’atmosphère. En jouant le rôle de noyau de condensation (CCN) pour la formation des gouttelettes de nuage, les particules issues de ce processus impactent le bilan radiatif terrestre. Fréquemment observée et documentée à basse altitude, la formation de nouvelles particules a plus rarement fait l’objet d’études à haute altitude. L’analyse des données obtenues en 2012 à la plus haute station du monde, Chacaltaya (5240 m, Bolivie) révèle une fréquence d’observation annuelle du processus remarquablement élevée (64%), avec de nombreux évènements multiples. Les mesures conduites à la station du puy de Dôme (1465 m, ACTRIS, GAW) qui bénéficie d’un dispositif instrumental rare ont plus particulièrement permis de mettre en évidence le déroulement du processus en troposphère libre. Une analyse complète de l’extension verticale du processus rendue possible grâce aux données aéroportées obtenues au-dessus du bassin Méditerranéen dans le cadre du projet HYMEX (MISTRALS, automne 2012) a montré qu’en plus d’être observé à haute altitude, le processus de formation de nouvelles particules semblait y être clairement favorisé, avec une probabilité d’observation multipliée par 10 au-dessus de 1000 m. De plus, à ces altitudes le processus de formation de nouvelles particules pourrait être une source importante de CCN, comme le suggèrent les résultats obtenus à Chacaltaya, où dans 68% des évènements analysés les particules formées atteignent des diamètres suffisants pour jouer le rôle de CCN. La diversité des environnements associés aux bases de données utilisées a également permis d’apporter des éléments relatifs à la compréhension du processus du point de vue de la charge des embryons formés, de l’identité des précurseurs gazeux impliqués et des paramètres atmosphériques influençant le processus. Ces éléments sont déterminants pour une prise en compte optimale du processus de formation de nouvelles particules dans les modèles.

New particle formation (NPF) results from a complex sequence of multiple processes and contributes to an important fraction of the total atmospheric aerosol number concentration. After they grow, newly formed particles can act as cloud condensation nuclei (CCN), and thus have indirect effect on the Earth radiative balance through cloud related radiative processes. While NPF has often been observed and studied at low altitudes, the occurrence of the process is poorly documented in the literature for high altitude sites. We report a high annual frequency of the NPF process (64%) at the highest measurement site in the world, Chacaltaya (5240 m, Bolivia), in 2012, with frequent multiple events. At the puy de Dôme station (1465 m, ACTRIS, GAW), the occurrence of NPF in the free troposphere was detected using a unique instrumental setup. A complete analysis of the vertical extension of the NPF process was performed based on airborne measurements conducted above the Mediterranean basin in the frame of the HYMEX project (MISTRALS, September – November 2012). Our observations suggest that NPF could be favored at high altitudes with a probability of occurrence increased by 10 above 1000 m. At these altitudes, NPF could significantly contribute to the production of CCN, since 68% of the analyzed events show particle growth up to CCN sizes at Chacaltaya. The high number of observations recorded in various environments also contributed to improve our knowledge regarding the charge of the nucleated clusters, the identity of the gaseous precursors and the atmospheric parameters influencing the NPF process. This will allow a better parameterization of the NPF process in modelling tools.