Télédétection des aérosols sulfatés d’origine volcanique dans l’infrarouge thermique

Remote Sensing of volcanic sulphate aerosols in the thermal infrared

• Auteur / Autrice : Henda Guermazi
• Direction : Bernard Legras, Farhat Rekhiss, Pasquale Sellitto
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, atmosphère, climat et observations spatiales
• Date : Soutenance le 03/12/2019
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE) en cotutelle avec Université de Sfax (Tunisie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de météorologie dynamique (Palaiseau ; 1968-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Fabio D'Andrea
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bernard Legras, Farhat Rekhiss, Pasquale Sellitto, Fabio D'Andrea, Hervé Herbin, Abdelaziz Kallel, Cathy Clerbaux, Juan Eduardo Cuesta
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Hervé Herbin, Abdelaziz Kallel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gaz volcaniques

Satellites scientifiques

Aérosols atmosphériques

Mots clés libres

AEROIASI-sulphates

Aérosols sulfatés

Infrarouge thermique

Observation spatiale

Forçage radiatif

AEROIASI-sulphates

Sulphate aerosols

Thermal infrared

Satellite observations

Radiative forcing

Résumé

Cette thèse s'intéresse au développement de nouvelles méthodes d’observation spatiale des aérosols sulfatés volcaniques, dans l’infrarouge thermique. Les premiers travaux ont débouché sur l’importance de considérer les interférences radiatives entre les aérosols sulfatés et le SO₂ afin d’optimiser les observations satellitaires des deux espèces dans cette région spectrale. Pour une éruption volcanique simulée, le signal des aérosols sulfatés domine dans le spectre infrarouge à partir de 3 à 5 jours de l’éruption volcanique, entrainant des surestimations sur les observations du SO₂. Observées conjointement avec des capteurs infrarouges à haute résolution spectrale, comme MetOp-IASI, les deux espèces peuvent être restituées indépendamment. À la lumière de ces observations, un algorithme d'inversion appelé AEROIASI-Sulphates a été développé afin de restituer des profils verticaux d’extinctions et de concentration massiques des aérosols sulfatés à partir des mesures IASI. AEROIASI-Sulphates identifie correctement la morphologie du panache volcanique horizontalement ainsi que verticalement après un jour de l’éruption du volcan Etna (Mars 2012) et ceci est confirmé à travers la comparaison avec les observations et les simulations du panache de SO₂. Pour une quantité de soufre initiale de 1.5 kT, 60 % de la masse de soufre injectée est convertie en particules après 24h de l'éruption. Un forçage radiatif direct en ondes courtes, calculé à l'échelle régionale pour la zone Méditerranéenne occidentale, a été estimé à -0.8 W/m². Il s’agit de la première quantification des aérosols sulfatés à partir d’un instrument spatial en géométrie nadir, ce qui présente une grande importance pour mieux comprendre les processus de dégazage volcanique et pour évaluer l’impact climatique des éruptions volcaniques à l’échelle régionale.

The main objective of this thesis is to develop new satellite observations of volcanic sulphate aerosols, in the Thermal InfraRed (TIR). We found, as first results, that it is important to consider the radiative interference between sulphate aerosols and SO₂ in order to optimize satellite retrievals of the two species. For a simulated volcanic eruption, the mutual effect of SO₂ and sulphate aerosols on the TIR outgoing radiation is evident after three to five days from the eruption. Significant overestimations may be introduced in SO₂ retrievals if the presence of sulphate aerosols is not taken into account. The high spectral resolution of IASI instrument allows the observation of these two effluents as independent quantities with limited uncertainties. Based on these results, we developed a new retrieval algorithm using IASI observations, called AEROIASI-Sulphates, to measure vertically-resolved sulphates aerosols extinctions and mass concentration profiles. The algorithm is applied to a moderate eruption of Mount Etna volcano. AEROIASI-Sulphates correctly identifies the volcanic sulphate aerosols plume morphology both horizontally and vertically after comparisons with SO₂ plume observations and simulations. For an initial sulphur mass of 1.5 kT, 60 % of the injected sulphur mass is converted to particulate matter after 24 h from the beginning of the eruption. A shortwave and direct radiative forcing of -0.8 W/m² is exerted at the regional scale in the western Mediterranean area. This is the first time that sulphate aerosols are quantitatively observed from space-based instruments in the nadir geometry, which is of great importance to monitor and quantify volcanic emissions, their evolution and impacts at the regional scale.