Modélisation tridimensionnelle des interactions entre le rayonnement solaire et la neige : du rôle fondamental de sa microstructure à celui de la topographie de montagne

Three-dimensional modeling of the interactions between solar radiation and snow : from thefundamental role of its microstructure to that of mountain topography

• Auteur / Autrice : Alvaro Robledano Perez
• Direction : Ghislain Picard, Marie Dumont
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l’Environnement
• Date : Soutenance le 28/11/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des géosciences de l'environnement (Grenoble, Isère, France ; 2017-....)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Beck
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Szczap
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mark Flanner, Sophia Haussener
• DOI : 10.70675/ecc4ea47z39bdz425bz82c4zd1010b325e03

Mots clés

Mots clés contrôlés

Neige

Transfert radiatif

Mots clés libres

Neige

Transfert radiatif

Calculs intensifs

Impuretés absorbantes

Snow

Radiative transfer

High-Performance computing

Light-Absorbing particles

Résumé

Les propriétés optiques de la neige déterminent la quantité d'énergie solaire absorbée par le manteau neigeux et donc son taux de fonte. Elles sont aussi au coeur de fortes rétroactions climatiques. La théorie du transfert radiatif décrit les interactions entre le rayonnement solaire et la neige, c'est à dire comment la lumière se propage et interagit avec la neige. On s'intéresse ici à differentes échelles, de l'échelle du grain de neige, l'échelle microscopique, aux ondulations de la couvertureneigeuse à l'échelle du mètre ou du kilomètre, l'échelle macroscopique.À l'échelle microscopique, de nombreuses théories lient la propagation de la lumière aux propriétés microstructurelles de la neige (taille et forme des grains) et à la présence d'impuretés absorbant la lumière. Ces théories reposent souvent sur de fortes approximations, la plus courante étant de considérer la neige comme un ensemble de sphères de glace déconnectées et d'impuretés flottant dans l'air interstitiel entre les grains. Cependant, nombreux faits expérimentaux démontrent aujourd'hui que ces approximations ne sont pas valides. À l'échelle macroscopique, le transfert radiatif dans la neige est influencé par toutes les ondulations de la surface, de la rugosité à la topographie de montagne. Ces ondulations modulent le rayonnement incident en portant des ombreset en favorisant le ré-éclairage des pentes environnantes. Cela modifie fortement le bilan d’energie de la surface par rapport aux terrains plats, et ces effets sont souvent négligés dans les modèles detransfert radiatif qui supposent un milieu uni-dimensionnel.C’est pour lever ces verrous qu’un modèle 3D de transfert radiatif basé sur un algorithme de transport de photons de Monte Carlo a été amélioré dans cette thèse, le modèle Rough Surface RayTracing (RSRT). A l'échelle microscopique, il calcule la propagation de la lumière dans des imagesde la microstructure de la neige, c'est-à-dire l'arrangement 3D de l'air et de la glace à l'échelle du micromètre, obtenues par tomographie à rayons X. Les résultats de cette thèse montrent que dans le domaine solaire, la neige n'est pas équivalente à des sphères ou à d'autres formes simples,contrairement à ce qui se fait actuellement dans les modèles. Un nouveau concept est introduit pour décrire l'influence réelle de la microstructure de la neige, appelé ''forme optique de la neige''. Cette approche valide en partie une récente hypothèse alternative, consistant à traiter la neige comme un milieu aléatoire biphasique. Ceci représente un nouveau paradigme dans la façon dont la neige est représentée dans les modèles optiques.La présence d'impuretés dans la neige est abordée en combinant les images de microstructure de la neige pure avec des poussières ajoutées de façon ad hoc, selon divers états de mélange poussièreneige: interne, externe ou en contact avec l'interface air/glace. Cette dernière représentation est plusréaliste. Les résultats montrent une sous-estimation des impacts radiatifs induits par les poussières dans le manteau neigeux, révélant ainsi certaines limites du mélange externe couramment utilisé.À l'échelle macroscopique, le modèle RSRT utilise une représentation 3D d'une régionmontagneuse. Les résultats du modèle permettent de mieux comprendre comment le rayonnement solaire se propage à cette échelle et de quantifier l'importance relative d'une série d'effetstopographiques. Cela devrait permettre d'orienter les développements futurs en matière de modélisation du transfert radiatif dans la neige à cette échelle, en déterminant quels effets peuvent être négligés en fonction de la précision visée.Ces résultats démontrent qu'il y a un bénéfice à explorer ces simulations précises du transfert radiatif dans la neige, bien qu'elles soient coûteuses en termes de calcul. Les applications de cette thèse vont de la télédétection optique à l'amélioration des instruments optiques, ainsi que des applications pour le bilan d’énergie des surfaces enneigées

The snow optical properties control the amount of solar energy absorbed by the snowpack and hence the snowmelt, and trigger strong climate feedbacks. The radiative transfer theory describes the interactions between sunlight and snow, namely how light propagates and interacts with snow.Different scales are studied here, from the snow grain scale, refered to as the microscale, to the snow cover undulations at the meter to kilometer scale, the macroscale.At the microscale, several theories link the light propagation to the microstructural properties of snow (grain size and shape) and the presence of light-absorbing impurities. These theories oftenrely on strong approximations, the most common being to consider snow as a collection ofdisconnected ice spheres and impurities floating in the interstitial air. However, there is now experimental evidences that these approximations are not valid. At the macroscale, radiative transfer in snow is influenced by surface undulations spanning from surface roughness to mountain topography. These undulations modulate the incoming radiation by casting shadows and promotingre-illumination from surrounding slopes. This strongly modifies the surface energy budget with respect to a flat terrain, and these effects are often overlooked in radiative transfer models that usually consider 1D geometries.In order to fill these knowledge gaps, a 3D radiative transfer model based on a Monte Carlo photon transport algorithm has been expanded in this thesis, the Rough Surface Ray-Tracing (RSRT)model. At the microscale, it computes light propagation in images of the snow microstructure, i.e.the 3D arrangement of air and ice at the micrometer scale, obtained through X-ray tomography. The results of this thesis show that for sunlight, snow is not equivalent to spheres or any other simpleshapes, contrary to what is currently assumed in models. A new concept to describe the actual influence of the snow microstructure is introduced, called the optical shape of snow. This approach partly validates the alternative hypothesis of representing snow as a two-phase random medium,which represents a paradigm shift in the way snow is represented in optical models.The presence of impurities in snow is addressed by combining microstructure images of pure snow with ad hoc added dust particles, according to various dust-snow mixing states: internal , external or in contact with the air/ice interface. The last one is a less simplified representation and reveals some limitations of the commonly assumed dust-snow external mixing, which underestimates the dustinduced radiative impacts in the snowpack..The presence of impurities in snow is addressed by combining snow microstructure images with an explicit representation of the various dust-snow mixing states: internal, external, or at the air/ice interface. The last one is a less simplified representation and reveals some limitations of the commonly assumed dust-snow external mixing, which underestimates the dust-induced radiative impacts in the snowpack.At the macroscale, the RSRT model uses a 3D representation of a mountainous area and computes the trajectory of rays within the topography. The model results provide a better insight into how solar radiation propagates at the macroscale, and makes it possible to quantify the relative importance of a series of topographic effects. This should help guide future developments in snow radiative transfer modeling at this scale, by determining which effects can be neglected depending on the targeted accuracy.These results demonstrate that there is a benefit in exploring these precise simulations of radiative transfer in snow, despite being computationally expensive. The applications of this thesis range from optical remote sensing to the improvement of optical instruments and applications for the energy budget of snow-covered surfaces.