Les contrails ne sont pas des particules d’eau sphériques

Restitution de l’indice de réfraction complexe et de la granulométrie d’une population de particules sphériques à partir de l’indicatrice de diffusion de la lumière

par C. VERHAEGE Ingénieur ENSMA (Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d’Aérotechnique) Soutenue publiquement le 16 octobre 2008, devant la commission d’examen.

L’interaction du rayonnement solaire ou terrestre avec les particules contenues dans l’atmosphère est un phénomène important à quantifier pour d’une part évaluer le réchauffement de la Terre et pour d’autre part en déduire la qualité de cette atmosphère. Afin de mesurer la diffusion de la lumière par un ensemble de particules nuageuses et d’aérosols, deux appareils ont été conçus et réalisés à l’IUT de Montluçon. Le premier est un appareil monté sur avion pour étudier les particules nuageuses. Diffèrents projets de mesures aéroportées ont étés menés en Europe au Japon et au Chili dont les projets Aerocontrail,  ARAT97, Cirrus98, JACCS99 et INCA.

Les aérosols (particules en suspension dans l’air) affectent le climat suivant différents processus. Le premier effet est l’influence directe des aérosols sur la lumière via la diffusion et l’absorption. Le second effet est la modification des propriétés radiatives et de la durée de vie des nuages car les aérosols servent de noyaux de condensation pour la formation des gouttelettes en suspension. D’après les derniers rapports de l’IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) 2001 et 2007, ces processus sont mal quantifiés et leurs incertitudes sont grandes. Ces incertitudes sur le forçage radiatif des aérosols sont du même ordre de grandeur que le forçage des gaz à effet de serre.

Les aérosols désignent les particules solides ou liquides qui sont en suspension dans l’atmosphère. Elles sont en suspension dans l’air car leur vitesse de chute est très faible (de l’ordre du cm/h) et c’est pourquoi leurs trajectoires suivent sensiblement l’écoulement de l’air. Dans la vie de tous les jours, elles sont appelées différemment suivant leur provenance, comme par exemple : poussières, brouillard, brume… On inclut également dans les aérosols, les hydrométéores qui sont constitués d’eau, liquide ou solide, présente sous forme de gouttelettes ou de cristaux. Ces hydrométéores sont les éléments constituant les nuages. La définition de la taille des particules dépend de leur forme. Les particules dont l’échelle est nanométrique correspondent à un regroupement de molécules appelées grappes moléculaires. La taille typique des molécules diatomiques(molécules constituées uniquement de deux atomes, soit de même ou de différents éléments chimiques) est de l’ordre de 0,3 à 0,6 nm(nanomètre). A l’autre bout de l’échelle, les particules de diamètre important supérieur à 50 μm(micron) ne restent pas longtemps dans l’atmosphère, du fait de leur vitesse de chute non négligeable. Les aérosols sont très variés aussi bien en termes de taille, de forme que de nature. Leur rôle dans l’atmosphère est très important aussi bien de façon directe que de façon indirecte (modification des propriétés des nuages : contenu en eau, taille des gouttes, durée de vie). Ces particules modifient le bilan radiatif de l’atmosphère et une grande incertitude sur la valeur de leur forçage radiatif perdure.

Les propriétés optiques des aérosols conditionnent la propagation de la lumière à travers des couches atmosphériques et modifient le bilan radiatif de la Terre. Lorsque la lumière intercepte une particule, son intensité diminue. Cette diminution s’appelle l’extinction. Cette extinction correspond à deux phénomènes : la diffusion et l’absorption. La diffusion est définie comme le changement de direction des photons au cours de leur propagation, en gardant la même longueur d’onde (diffusion élastique). Lorsqu’un obstacle (particule solide ou liquide, molécules…) intercepte une onde électromagnétique (appelée également lumière), des charges électriques dans l’obstacle se mettent à osciller à cause du champ électrique de l’onde incidente. Ces charges électriques lorsqu’elles décélèrent, rayonnent une énergie électromagnétique dans toutes les directions. Ce rayonnement est appelé rayonnement diffusé. L’absorption correspond à la transformation du rayonnement en d’autres formes d’énergie : chaleur, énergie de réaction chimique… L’absorption correspond à la fin de la vie d’un photon.

Les aérosols servent de vecteurs d’éléments chimiques entre les différentes parties de l’atmosphère. Ils influent de façon importante la composition chimique des précipitations. Ils participent également au bilan radiatif de la planète de deux façons : un effet direct et un effet indirect. L’effet direct correspond à l’interaction de ces aérosols avec les rayonnements solaire ou terrestre. Il est lié à leur capacité d’absorption du rayonnement infrarouge (effet de serre) et de réflexion (albédo) et d’absorption du rayonnement visible. L’effet indirect est le fait qu’ils servent de noyaux de condensation nuageux ou de noyaux glaçogènes qui initient la formation de gouttelettes ou de cristaux de glace. Il faut noter que leur effet indirect est important car une part significative des nuages ne précipite pas et que la composition chimique des aérosols est modifiée après passage par la phase liquide dans les nuagesIl existe aussi un effet semi-direct. Les aérosols absorbent le rayonnement solaire, de ce fait le profil de température de l’atmosphère est modifié. Cette modification du profil influe sur les conditions de formation des nuages.

Des mesures collectées en nuage avec un néphélomètre aéroporté ont été traitées pour trois cas (deux en nuage et un en contrail). Le but des mesures d’aérosols est de connaître le maximum de paramètres de ces particules tels que leur nature, leur taille, leur forme, leur nombre, leur effet radiatif… Afin de caractériser complètement une population d’aérosols en prenant l’hypothèse que ces particules soient sphériques et homogènes, il est seulement nécessaire de connaître leur distribution en taille ainsi que leur nature. Dans le cas de la diffusion de la lumière, la nature de la particule correspond à son indice de réfraction complexe (la partie réelle correspond à la diffusion et la partie imaginaire à l’absorption).

Ce traitement a permis de mettre en évidence que les particules des contrails ne sont pas des particules d’eau sphériques.

Les néphélomètres sont des appareils qui mesurent la lumière diffusée par une population de particules. Les différents paramètres que l’on souhaite connaître sur les aérosols sont leur spectre ou granulométrie (nombre en fonction de leur taille, concentration) ainsi que leur nature et leur forme.

Trois cas ont été étudiés toujours en aveugle, deux étaient des mesures d’indicatrices de diffusion en nuages d’eau liquide et le troisième était une mesure effectuée dans un contrail. Les indices des deux cas de gouttelettes d’eau liquide permet d’affirmer que dans ces deux cas, les particules nuageuses échantillonnées étaient des gouttes d’eau sphériques., on retrouve bien le bon indice réel. On peut constater aussi que les particules ne sont pas absorbantes, ce qui correspond bien à de l’eau.

Dans le cas « Contrail » l’indice de réfraction, en particulier la partie réelle, ne correspond pas à de l’eau. On peut dire néanmoins que les particules sont de petites tailles et que ce n’est pas de l’eau liquide.

Les contrails sont issues des moteurs d’avion. Ceux-ci rejettent principalement de l’eau, du CO2 et un peu de suie (carbone imbrûlé). L’eau pourrait être sous forme solide (glace).

L’indice de réfraction de la glace ne correspond pas à la valeur de l’indice trouvé.

L’indice de réfraction de la suie ne correspond pas à la valeur de l’indice trouvé.

Une des possibilités serait le mélange eau liquide + suie. L’indice de réfraction du mélange suie + eau ne correspond pas non plus avec la valeur de l’indice trouvé.

Une des possibilités est d’avoir un noyau de suie entouré d’eau mais d’autres solutions pourraient convenir comme la présence de particules non-sphériques ou la présence d’un autre produit.

Les correspondances et intercomparaison entre différents appareils de mesures ont permis de s’assurer de l’applicabilité et de la validité de cette méthode avec ces données réelles. D’autres travaux utilisant ces différentes hypothèses seraient nécessaires pour apporter des éléments de réponse à l’interprétation de ces mesures.

2 réflexions au sujet de « Les contrails ne sont pas des particules d’eau sphériques »

  1. Ping : Meteotan

  2. Ping : British Airways : mort de deux pilotes suite à un cancer | METEOTAN

Laisser un commentaire

Entrez vos coordonnées ci-dessous ou cliquez sur une icône pour vous connecter:

Logo WordPress.com

Vous commentez à l'aide de votre compte WordPress.com. Déconnexion / Changer )

Image Twitter

Vous commentez à l'aide de votre compte Twitter. Déconnexion / Changer )

Photo Facebook

Vous commentez à l'aide de votre compte Facebook. Déconnexion / Changer )

Photo Google+

Vous commentez à l'aide de votre compte Google+. Déconnexion / Changer )

Connexion à %s