Les propriétés microphysiques à l’interaction avec le rayonnement

Influence de l’effet de l’eau et de la forme des particules sur leurs propriétés microphysiques et optiques 

Hygroscopicité

L’humidité relative (RH) est un des paramètres clés qui influence les propriétés optiques de l’aérosol. Au-dessus de RH~60%, l’humidité devient une variable importante. Cela est lié d’une part au fait que l’eau représente plus de 50% de la masse des particules fines lorsque RH dépasse 70-80% (Hänel, 1976 ; Zhang and McMurry, 1993 ; McMurry, 2000), et d’autre part à la dépendance à l’humidité des autres variables (Covert et al., 1972 ; Clarke et al., 2004). Or, la plupart des mesures d’aérosol sont réalisées en introduisant l’air ambiant dans des conditions abritées (Nessler et al., 2005a), ce qui peut produire un gradient de température et un changement de RH. Le principe de certains instruments lui-même peut limiter la possibilité de travailler à des RH plus élevés (par exemple des mesures d’absorption Les propriétés microphysiques à l’interaction avec le rayonnement  lumineuse par dépôt sur un filtre). Par conséquent, des mesures d’aérosol sont souvent effectuées dans des conditions sèches (RH<40%). La dépendance à RH des paramètres optiques mérite donc d’être traitée pour une meilleure évaluation du forçage radiatif de l’aérosol dans les conditions ambiantes.

L’augmentation de RH peut conduire à une condensation de vapeur d’eau sur les diffuseurs que sont les aérosols en fonction de leur composition chimique (e.g. Tang and Munkelwitz, 1993). Ce phénomène engendre un accroissement de la taille des particules, appelé croissance hygroscopique de l’aérosol. Pour une humidité avoisinant les 90%, le volume de la particule peut être augmenté de plus de 6 fois par rapport au volume de la particule sèche (Hodzic, 2005 ; Randriamiarisoa et al., 2006). Ainsi un grand nombre de petites particules submicroniques solubles et hydrophiles grossissent au cours de l’humidification par absorption et condensation vers un domaine de taille plus efficace pour la diffusion de la lumière visible (~0.5 – 1 µm) (Bohren and Huffman, 1998). L’esprit de l’équation empirique permettant de caractériser la croissance en taille est la théorie de Köhler (Seinfeld and Pandis, 1998). L’équation la plus populaire a été introduite par Hänel (1976) : ( ) −ε rw = r ⋅ 1− RH

Asphéricité des aérosols

L’étude des aérosols est souvent simplifiée par l’utilisation de la théorie de Mie qui considère que les particules sont sphériques. Cette théorie a ainsi été utilisée pour fournir les résultats présentés dans les figures de la Sect. 2.3. Toutefois les équations présentées dans la Sect. 2.3 ne requièrent pas cette hypothèse ; elles supposent seulement que les particules sont orientées aléatoirement et possèdent un indice de réfraction homogène. L’approximation de sphéricité peut être parfois très éloignée de la réalité, et est mise en défaut dans le cas de sels secs (sulfates secs, nitrates, sels de mer), de poussières désertiques ou de particules carbonées, ces dernières se présentant sous forme de chaînes d’agglomérats. Martins et al. (1998) ont cependant montré que les propriétés optiques des suies issues de feux de biomasse au Brésil pouvaient être convenablement restituées avec l’hypothèse de sphéricité. Mais dans la plupart des cas, la description de la forme des aérosols est très délicate car souvent très variable et complexe, comme le suggèrent les images obtenues par microscopie électronique (Fig. 2.11)

La diffusion multiple : équation de transfert radiatif 2.5.1 Equation différentielle du transfert radiatif L’équation de transfert radiatif exprime la variation infinitésimale de flux subie lors de la traversée d’une épaisseur infinitésimale ds du milieu. Comme nous l’avons vu à la Sect. 2.3.3, c’est la relation de Beer-Bouguer-Lambert (Eq. 2.58) qui permet d’exprimer le rayonnement perdu par absorption et par diffusion. D’autre part, l’intensité du rayonnement peut être renforcée dans sa direction d’incidence définie par l’angle solide Ω (qui dépend de l’angle zénithal θ et de l’angle azimutal ϕ) par deux processus, la diffusion en provenance de toutes les autres directions et l’émission thermique du milieu. On définit alors une fonction source Jλ qui est la somme de ces deux processus : J (s,Ω) = J (s,Ω) + J (s,Ω) em scat λ λ λ (2.75) Jλ em est la fonction source d’émission, et Jλ scat la fonction source de diffusion. Cela permet alors d’écrire l’équation différentielle du transfert radiatif, appelée équation de Schwarzschild : ( ) = − ( ) ( ) ( ) ⋅( )