Apport de la mesure lidar dans l'étude des aérosols et nuages stratosphériques polaires et de leurs perturbations climatiques

Interest of lidar measurements for the study of aerosols and polar stratospheric clouds and their climatic disturbances

• Auteur / Autrice : Florent Tencé
• Direction : Alain Sarkissian, Julien Jumelet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Instrumentation, télédétection, observation et techniques spatiales pour l'océan, l'atmosphère et le climat
• Date : Soutenance le 30/01/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Atmosphères, observations spatiales (Guyancourt, Yvelines ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Géosciences, climat, environnement et planètes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Solène Turquety
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Valéry Catoire, Emmanuel Rivière, Nadège Montoux, Nathalie Brun-Huret, Slimane Bekki
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Valéry Catoire, Emmanuel Rivière

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ozone stratosphérique

Volcanisme

Forêts -- Incendies

Lidar

Climat polaire

Stratosphère

Mots clés libres

Aérosols

Stratosphère

Lidar

Volcanisme

Feux de biomasse

Aerosols

Stratosphere

Lidar

Volcanism

Biomass wildfires

Résumé

À mesure que la compréhension des interactions entre la chimie de l'ozone stratosphérique et le changement climatique progresse, les conséquences de l'évolution des températures autant que celui des perturbations de la charge stratosphérique en aerosols deviennent un sujet d'intérêt scientifique de premier plan.Il est bien établi que le volcanisme est la principale source d'aérosols stratosphériques et que les épisodes de volcanisme majeurs s'associent à des anomalies négatives d'ozone. Toutefois, l'effet à haute latitude d'une surcharge en aerosols soufrés, précurseurs des nuages stratosphériques polaires (PSC), reste mal connu.De plus, des injections stratosphériques d'aérosols carbonés sont observées lors d'importants feux sur les dernières années. Au Canada en 2017 et en Australie en 2020, des masses d'aérosols comparables à celles émises par le volcanisme modéré ont été rapportées. Cela continue de nourrir un fort intérêt scientifique, le carbone n'étant pas naturellement présent en stratosphère et les effets de son apport significatif sont encore à étudier. Aussi, il est attendu que le changement climatique favorise l'occurrence de feux majeurs, rajoutant la question des tendances à long terme de la charge en aérosols à la nécessité de caractériser finement l'effet d'une telle perturbation.Précurseurs de la destruction saisonnière d'ozone, les PSC, formés sur les aerosols, sont au coeur de ces enjeux. Le lidar est un instrument adapté à l'étude de ces phases condensées. À l'aide du lidar de la station française antarctique Dumont d'Urville (DDU) et des instruments spatiaux pertinents, cette thèse étudie les tendances et processus liés aux PSC et aux perturbations en aérosols stratosphériques.Les mesures acquises à DDU utilisent différentes classifications de PSC pour illustrer des processus fins uniquement accessibles par la géométrie d'un instrument sol. La paramétrisation des PSC repose sur une classification concise et representative, et la position côtière de la station est un atout de par la grande variabilité des observations de particules qu'elle permet. Une tendance du nombre de jours de PSC par an à DDU de 2007 à 2020 est établie par la combinaison de mesures lidar et de temperatures. Cette tendance, de -4,4 jours de PSC par an par décennie, est le reflet d'une tendance opposée des températures stratosphériques sur cette période. Cette dernière, récemment confirmée par d'autres études, questionne l'évolution long terme dans le contexte du changement climatique.Les feux australiens en 2020 ont injecté une masse inédite d'aérosols en stratosphère, dont une partie a été transportée jusqu'aux hautes latitudes australes. Le lidar de DDU a pu sonder ces aérosos de janvier à octobre 2020. Cela a permis une caractérisation riche des panaches au fil du temps. Leur présence au sein du vortex a été confirmée et pose la question délicate des intéractions entre aérosols carbonés et PSC. La forte destruction d'ozone reportée à DDU en octobre 2020 ne peut être comparée qu'à l'année 2015, marquée par une surcharge en aérosols due à l'éruption du Calbuco. Nous soulignons également l'enjeu technologique autour de la speciation des aerosols sur les signatures fines.Pour s'adapter aux questions scientifiques récentes, une campagne de terrain a permis l'évolution du lidar en place à DDU vers une source laser multispectrale infrarouge / visible / ultraviolet. Cette configuration offre de nouvelles possibilités, dont un accès à la granulométrie qui peut directement résoudre la speciation des aerosols et nuages. L'éruption historique survenue au Tonga en janvier 2022 a injecté une grande quantité d'aérosols, en partie détectés à DDU de février à septembre 2022. Cette thèse inclut donc des travaux sur cet événement utilisant l'instrumentation de campagne en tant que perspective technique et surtout scientifique pour l'étude des aerosols et nuages à haute latitude.

As the understanding of the interactions between stratospheric ozone chemistry and climate change progresses, the consequences of both temperature change and perturbations in stratospheric aerosol loading are becoming a topic of major scientific interest.It is well established that volcanism is the main source of stratospheric aerosols and that major volcanic episodes are associated with negative ozone anomalies. However, the high latitude effect of an overload of sulphate aerosols, precursors of polar stratospheric clouds (PSC), remains poorly understood.In addition, stratospheric injections of carbonaceous aerosols have been observed during major fires in recent years. In Canada in 2017 and Australia in 2020, aerosol masses comparable to those emitted by moderate volcanism were reported. This is of great scientific interest, as carbon does not naturally occur in the stratosphere and the effects of its significant intake are yet to be studied. Also, climate change is expected to favour the occurrence of major fires, adding the question of long-term trends in aerosol loading to the need to finely characterise the effect of such a disturbance.PSCs, formed on aerosols, are the precursors of seasonal ozone destruction and are at the heart of these issues. Lidar is a suitable instrument for studying these condensed phases. Using the lidar at the French Antarctic station Dumont d'Urville (DDU) and relevant space instruments, this thesis investigates trends and processes related to PSCs and stratospheric aerosol perturbations.Measurements acquired at DDU use different classifications of PSCs to illustrate fine processes that are only accessible through the geometry of a ground-based instrument. The parameterisation of the PSCs is based on a concise and representative classification, and the coastal location of the station is an advantage due to the high variability of the particle observations it allows. A trend in the number of PSC days per year at DDU from 2007 to 2020 is established by combining lidar and temperature measurements. This trend, of -4.4 PSC days per year per decade, reflects an opposite trend in stratospheric temperatures over this period. The latter, recently confirmed by other studies, raises questions about long-term trends in the context of climate change.The Australian fires in 2020 injected an unprecedented mass of aerosols into the stratosphere, some of which was transported to the high southern latitudes. The DDU lidar was able to probe these aerosols from January to October 2020. This allowed a rich characterisation of the plumes over time. Their presence within the vortex was confirmed and raises the delicate question of the interactions between carbonaceous aerosols and PSC. The high ozone depletion reported at DDU in October 2020 can only be compared to the year 2015, marked by an aerosol overload due to the Calbuco eruption. We also highlight the technological challenge around aerosol speciation on fine signatures.In order to adapt to recent scientific questions, a field campaign allowed the evolution of the lidar installed at DDU towards a multispectral infrared / visible / ultraviolet laser source. This configuration offers new possibilities, including access to granulometry that can directly resolve aerosol and cloud speciation. The historical eruption in Tonga in January 2022 injected a large amount of aerosols, partly detected at DDU from February to September 2022. This thesis therefore includes work on this event using field instrumentation as a technical and especially scientific perspective for the study of aerosols and clouds at high latitudes.