Etude de l'impact des espèces halogénées émises par les volcans sur la chimie troposphérique

Study of the impact of halogen species emitted by volcanoes on tropospheric chemistry

• Auteur / Autrice : Herizo Luc Angelo Narivelo
• Direction : Virginie Marecal, Paul David Hamer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, Atmosphère, Climat
• Date : Soutenance le 21/04/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre national de recherches météorologiques (France)
• Jury : Président / Présidente : Céline Mari
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Tjarda Roberts
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Rivière, Valéry Catoire, Sophie Laval-Szopa

Mots clés

Mots clés contrôlés

Halogènes

Activité volcanique

Chimie de la troposphère

Mots clés libres

Espèces halogénées

Volcan

Chimie troposphérique

Halogen species

Volcano

Tropospheric chemistry

Résumé

Les volcans sont une source importante d'espèces chimiques gazeuses et d'aérosols pour la troposphère. A part les composés H2O, CO2 et SO2, les halogènes sont aussi des espèces chimiques présentes dans l'émission volcanique, que ce soit lors d'une éruption ou par dégazage passif. Les halogènes inorganiques sous forme acides tels que HBr, HCl, HI et HF sont les principaux composés halogénés émis par les volcans. HBr est rapidement convertit en BrO dans le panache volcanique par l'intermédiaire du cycle de réactions chimiques appelé le cycle de "bromine-explosion". Le cycle de "bromine-explosion" mène à une augmentation rapide et exponentielle de BrO qui a des impacts sur la composition chimique de l'air, en particulier sur les oxydants de l'atmosphère et notamment l'ozone. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'impact des émissions volcaniques d'halogènes sur la composition chimique de la troposphère à l'échelle régionale. A cet effet, nous utilisons le modèle de chimie-transport MOCAGE (MOdèle de Chimie Atmosphérique à Grande Échelle). Dans un premier temps, nous évaluons les performances de MOCAGE pour un cas d'étude avec des émissions volcaniques idéalisées par rapport à des simulations du modèle WRF-Chem-Volcano à plus fine résolution. Ce travail de comparaison avec le modèle WRF-Chem est une première étape qui a permis de montrer la capacité de MOCAGE à bien modéliser la chimie des halogènes volcaniques dans les panaches. Dans une deuxième étape, on utilise le modèle MOCAGE pour l'étude d'un cas réel, celui de l'éruption du Mont Etna de Noël 2018. Pour cela, les flux d'émissions sont fournis par l'instrument "Spinning Enhanced Visible and InfraRed Imager" (SEVIRI). Les colonnes troposphériques de SO2 et de BrO issues de l'observation du satellite "TROPOspheric Monitoring Instrument " (TROPOMI) sont utilisées pour évaluer les colonnes simulées par le modèle MOCAGE. Cette comparaison montre la bonne représentation du panache volcanique et de son transport à l'échelle régionale sur le bassin de la Méditerranée. L'analyse détaillée des résultats de MOCAGE montre un changement des processus chimiques à l'intérieur du panache quand il vieillit et s'éloigne de la source, avec moins d'efficacité de la production de brome réactif et moins de perte d'ozone. Les simulations MOCAGE montrent aussi un impact régional de cette éruption sur les oxydants de l'atmosphère, notamment sur OH et l'ozone avec une réduction de la charge de ces deux gaz causée par la chimie du panache volcanique. Cette réduction de la capacité oxydante entraîne une réduction de la charge en méthane. Finalement, des tests de sensibilité sur la composition des émissions montrent que la production de BrO est plus élevée lorsque les émissions volcaniques d'aérosols sulfatés sont augmentées mais se produit lentement lorsqu'on suppose qu'il n'y a pas de aérosols sulfatés ni de radicaux Br dans les émissions volcaniques. Ces deux tests de sensibilité mettent aussi en évidence un impact significatif de ces hypothèses sur les oxydants dans la troposphère à l'échelle régionale.

Volcanoes are an important source of gaseous chemical species and aerosols for the troposphere. Apart from the H2O, CO2 and SO2 compounds, halogen compounds are also chemical species present in volcanic emissions, either produced during an eruption or by passive degassing. Inorganic halogens in acid form such as HBr, HCl, HI and HF are the main halogen compounds emitted by volcanoes. HBr is rapidly transformed into BrO within the volcanic plume through the chemical reaction cycle called the "bromine-explosion" cycle. The "bromine-explosion" leads to a rapid and exponential increase of BrO concentrations and has impacts on the chemical composition of the air, in particular on the atmospheric oxidants, notably on ozone. The objective of this thesis is to study the impact of volcanic halogen emissions on the chemical composition of the troposphere at the regional scale. For this purpose, we use the MOCAGE (MOdèle de Chimie Atmosphérique à Grande Échelle) chemistry-transport model. In a first step, we evaluate the performance of MOCAGE for a case study with idealized volcanic emissions compared to simulations at a finer resolution from the WRF-Chem-Volcano model. This comparison with the WRF-Chem model shows the ability of MOCAGE to well simulate the chemistry of volcanic halogens. In a second step, the MOCAGE model is used for the study of a real case study, the eruption of Mount Etna on Christmas 2018. For this, the emission fluxes are provided by the Spinning Enhanced Visible and InfraRed Imager (SEVIRI). Tropospheric colums of SO2 and BrO retrieved from the TROPOspheric Monitoring Instrument (TROPOMI) satellite observations are used to evaluate the columns simulated by the MOCAGE model. This comparison shows the good representation of the volcanic plume and its transport at the regional scale over the Mediterranean basin. The detailed analysis of the MOCAGE results shows a change in the chemical processes within the plume as it ages and moves away from its source, with less efficient reactive bromine production and less ozone loss. The MOCAGE simulations also show a regional impact of this eruption on the atmospheric oxidants, notably OH and ozone, with a reduction in the burden of these two gases caused by the chemistry within the volcanic plume. This reduction of the oxidising capacity leads to a reduction of the methane burden. Finally, sensitivity tests on the composition of the emission show that BrO production is higher when volcanic emissions of sulphate aerosols are increased but occurs slowly when sulfate aerosols and Br radicals are assumed not to be present in the volcanic emissions. These two sensitivity tests also show a significant impact of these assumptions on oxidants in the troposphere at the regional scale.