UM 110 (CNRS/UTLN/AMU/IRD)

Mes activités de recherche

MIO (aérosols marins)

 

 

 

 

 

 

Présentation > Recherche > Aérosols marins


 

Maître de Conférences au MIO (UM 110)

 

L'aérosol marin est principalement produit par le déferlement (moutonnement) qui se traduit par une certaine proportion de mer blanche, lieu de phénomènes turbulents complexes favorisant les transferts air-mer et des processus de largage dans la couche limite atmosphérique marine d'aérosols chargés de sel. Les aérosols ainsi libérés dans l'atmosphère sont advectés horizontalement par le vent et transportés dans les terres situées dans le lit du vent où elles se redéposent, en particulier sur les végétaux. Leur forte teneur en sel peut présenter un effet nuisible sur la végétation. De plus, une forte concentration en aérosols peut se traduire par une détérioration de la visibilité et affecter les performances des appareils de détection infrarouge équipant les navires. Les phénomènes de réfraction atmosphérique ont un large impact sur la probabilité de détection des cibles dans la couche de limite atmosphérique marine.

La modélisation du transport d’aérosols est abordée sous deux angles différents dans leur approche mais néanmoins complémentaires.

 

Couplage entre code météorologique et modèle paramétrique de concentration en aérosols marins

 

Jacques Piazzola a développé un code d’extinction optique spécifique des zones côtières méditerranéennes (MEDEX : MEDiterranean EXtinction code). Ce modèle paramétrique est issu de mesures de concentration en aérosols marins réalisées lors de plusieurs campagnes expérimentales dans la région. Jusqu’à présent, il ne permettait de connaître le profil vertical d’aérosols qu’en un seul point à la fois.

Dans le cadre de la thèse de Romain Blot, le couplage de ce code avec un modèle météorologique à mésoéchelle – échelle locale a été réalisé, de façon à pouvoir calculer la répartition horizontale de la concentration en aérosols sur une large zone. Dans le cadre de cette étude, RAMS a été utilisé mais ce couplage peut être réalisé avec un autre modèle.

La production d’aérosols marins dépend de l’état de la surface marine et donc de la vitesse du vent, de la longueur de fetch et dans certains cas de la zone de déferlement sur la plage. Il est aisé de comprendre que la côte va avoir un effet primordial, de par sa distance au point considéré d’une part, et son effet d’abris ou de sillage d’autre part. Les simulations réalisées ont montrés que pour certains cas (mistral notamment), la lieu d’étude de Porquerolles était une zone de transition, présentant un gradient horizontal important de concentration (voir exemple ci-dessous). Ceci a permis d’expliquer des résultats de mesures qui semblaient parfois incohérents.

Cette approche a toutefois le défaut de ne pas prendre en compte l’aspect instationnaire du transport d’aérosols (notamment pour la rotation du vent), ni la diffusion horizontale transversalement à la direction du vent.

Exemple de cartes de concentration calculées

 

 

Développement du code MACMod (modèle numérique de concentration d’aérosols marins)

 

Le code MACMod (Marine Aerosol Concentration Model) est en cours de développement et de validation. Il résout les équations de transport des aérosols marins (sous la forme de l’équation de bilan pour la concentration), en deux dimensions (horizontal et vertical), instationnaire, en utilisant la méthode des volumes finis. Le champ de vent peut être issu d’un modèle météorologique (RAMS dans le cas présent), les flux de production et de dépôt à la surface marine sont paramétrables (à partir de modèles bibliographiques), la concentration initiale peut être donnée grâce à un modèle paramétrique (MEDEX ici), les effets de stabilité thermique, de diffusion turbulente, de raréfaction (autour des plus petits aérosols) sont pris en compte.

 

Une première application a été l’étude de la décroissance en concentration des aérosols issus de la zone de déferlement. Les mesures expérimentales étant rares et difficiles à réaliser, la simulation numérique apporte ici un bon complément à l’analyse des phénomènes observés. Il a été vérifié que l’influence de la zone de déferlement se faisait ressentir sur des dizaines de kilomètres.

Exemple de simulation

 

Une étude de l’effet de la stabilité atmosphérique (liée à la différence de température air-mer) sur le transport d’aérosols est en cours. Le coefficient de diffusion turbulente KT est divisé par la fonction f(z/L) dépendant de la longueur de Monin-Obukhov L. Le paramètre f-1 peut être vu comme un facteur d’amplification de la diffusion turbulente. Pour des vents faibles et des températures de mer froides (comparé à l’air), la stratification des couches atmosphériques est clairement visible (f-1~0). Lorsque la vitesse du vent augmente l’instabilité augmente, tout en étant restreinte tant que la mer est froide. Pour une mer ‘’chaude’’, l’instabilité (thermique) explose aux petites vitesses de vent, mais des vitesses élevées ont tendance à diminuer ce phénomène, la convection horizontale prenant le dessus sur la convection thermique.

Exemple de l'effet de la stabilité

 

 

PUBLICATIONS

 

ARTICLES :

 

* TEDESCHI G., VAN EIJK A.M.J., PIAZZOLA J. & KUSMIERCZYK-MICHULEC J.T., ‘’Influence of the surf zone on the marine aerosol concentration in a coastal area’’, Bound. Layer Met., doi: 10.1007/s10546-016-0229-7, 2017.

* PIAZZOLA J., MIHALOPOULOS N., CANEPA E., TEDESCHI G., PRATI P., ZARMPAS P., BASTIANINI M., MISSAMOU T., & CAVALERI L., ‘’Characterization of aerosols above the Northern Adriatic Sea: Case studies of offshore and onshore wind conditions’’, Atm. Env., doi: 10.1016/j.atmosenv.2016.02.044, 2016.

* PIAZZOLA J., TEDESCHI G. & DEMOISSON A., ‘’ A model for the transport of sea-spray aerosols in the coastal zone’’, Bound. Layer Met., doi: 10.1007/s10546-014-9994-3, 2015.

* TEDESCHI G. & PIAZZOLA J., ‘’Effects of surf zone sea-spray particles on aerosol concentration in coastal area’’, in Air Pollution Modeling and Its Application, vol. XXIII, edited by Douw G. Steyn and Rohit Mathur, Springer International Publishing, pp. 143-148, doi: 10.1007/978-3-319-04379-1_23, 2014.

* TEDESCHI G., PIAZZOLA J., GARDENAL L., POURRET V., MARTET M., ‘’The POAEMM project: prediction of spatial and temporal variation of marine aerosols in coastal area’’, in Air Pollution Modeling and Its Application, vol. XXIII, edited by Douw G. Steyn and Rohit Mathur, Springer International Publishing, pp. 167-172, doi: 10.1007/978-3-319-04379-1_27, 2014.

* KUSMIERCZYK-MICHULEC J.T., TEDESCHI G., VAN EIJK A.M.J. & PIAZZOLA J., ‘’Influence of atmospheric parameters on vertical profiles and horizontal transport of aerosols generated in the surf zone’’, Atm. Env., doi: 10.1016/j.atmosenv.2013.05.060, 2013.

* DEMOISSON A., TEDESCHI G. & PIAZZOLA J., ‘’A model for the atmospheric transport of sea-salt particles in coastal areas’’, Atm. Res., Vol. 132-133, pp. 144-153, 2013.

* TEDESCHI G. & PIAZZOLA J., ‘’Study of vertical transport of marine aerosol using an unsteady 2D model’’, in Air Pollution Modeling and Its Application, vol. XXI, edited by Douw G. Steyn and Silvia Trini Castelli, Springer Netherlands, pp.613-618, doi:10.1007/978-94-007-1359-8_101, 2012.

* PIAZZOLA J., SELLEGRI K., BOURSIER L., MALLET M., TEDESCHI G,. & MISSAMOU T., ‘’Physicochemical characteristics of aerosols measured in the spring time in the Mediterranean coastal zone’’, Atm. Env., à paraître, 2012.

* TEDESCHI G. and PIAZZOLA J., ‘’Development of a 2D marine aerosol transport model, application to the influence of thermal stability in the marine atmospheric boundary layer’’, Atm. Res., Vol. 101, pp. 469-479, 2011.

* VAN EIJK A.M.J, KUSMIERCZYK-MICHULEC J.T., FRANCIUS M., TEDESCHI G., PIAZZOLA J., MERRITT D.L. and FONTANA J.D., ‘’Sea-spray aerosol particles generated in the surf zone’’, J. Geoph. Res., doi:10.1029/2011JD015602, 2011.

* PIAZZOLA J., TEDESCHI G. and BLOT R., "Spatial variation of the aerosol concentrations and deposition over the Mediterranean coastal zone", Atm. Res., Vol. 97, pp. 214-228, 2010.

* BLOT R., PIAZZOLA J. and TEDESCHI G., ‘’Spatial variation of the aerosol concentration over a Mediterranean coastal zone and implication on the infrared extinction’’, Opt. Eng., Vol. 47, n°2, pp. 026004-1 – 026004-10, 2008.

* BLOT R., TEDESCHI G. and PIAZZOLA J., ‘’Regional coverage modelling of marine aerosols concentration in French Mediterranean coastal area’’, in Air Pollution Modeling and Its Application, vol. XIX, edited by Carlos Borrego and Ana Isabel Miranda, Springer Netherlands, pp.514-521, 2008.

* PIAZZOLA J., FORGET P., DESPIAU S. and TEDESCHI G., ‘’Variations of the aerosol concentration with fetch’’, J. Aerosol Sci., Vol. 30, Suppl. 1, pp. S195-S196, 1999.

 

COMMUNICATIONS :

 

* TEDESCHI G. & PIAZZOLA J., ‘’Effects of surf-zone sea-spray particles on aerosol concentration in coastal area’’, 33th NATO ITM Meeting on Air Pollution Modelling and its application, Miami, USA, Sept. 2013.

* DEMOISSON A., PIAZZOLA J & TEDESCHI G., ‘’Transport of aerosols in the Mediterranean coastal zone’’, 21st International Conference on Modelling, Monitoring and Management of Air Pollution, Sienne, Italy, June 2013.

* GARDENAL L., TEDESCHI G., POURRET V., MARTET M. & PIAZZOLA J., ‘’Spatial variation of aerosol optical properties in coastal environment’’, 9th International IR Target and Background Modeling & Simulation (ITBMS) Workshop, Toulouse, France, June 2013.

* TEDESCHI G. and PIAZZOLA J., ‘’Study of vertical transport of marine aerosol using an unsteady 2D model’’, 31th NATO ITM Meeting on Air Pollution Modelling and its application, paper 4.9, Turin, Italy, Sept. 2010.

* KUSMIERCZYK-MICHULEC J.T., VAN EIJK A.M.J, TEDESCHI G., MOERMAN M.M., COHEN L. and PIAZZOLA J., ’’Influence of atmospheric parameters on vertical profiles and horizontal transport of atmospheric aerosols generated in the surf zone’’, International Aerosol Conference, paper 7B3, Helsinki, Finland, Sept. 2010.

* BLOT R., TEDESCHI G. and PIAZZOLA J., ‘’Regional coverage modelling of marine aerosols concentration in French Mediterranean coastal area’’, 29th NATO ITM Meeting on Air Pollution Modelling and its application, paper 5.4, Aveiro, Portugal, Sept. 2007.

* PIAZZOLA J., BLOT R. and TEDESCHI G., ''Extension of the Mediterranean coastal aerosol model (MEDEX) to a regional coverage'', SPIE Conf. Proc., Vol. 6303, Sept. 2006.