Origine, distribution en taille et hygroscopicité des aérosols marins observés sur le sud-ouest de l'océan Indien à bord du Marion Dufresne

Origin, size distribution and hygroscopic properties of shipborne observations of marine aerosols in the south-western Indian Ocean

• Auteur / Autrice : Meredith Dournaux
• Direction : Pierre Tulet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, Atmosphère, Climat
• Date : Soutenance le 20/03/2025
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Aérologie (Toulouse ; 1983-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de délivrance conjointe : Université de Toulouse (EPE ; 2025-....)
• Jury : Président / Présidente : Claire Delon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Eudes Petit
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Véronique Riffault, Jean Sciare, Karine Kata Sartelet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Origines

Masses d'air

Indien, Océan (sud-ouest)

Aérosols marins

Mots clés libres

Aérosols marins

Hygroscopicité

Océan Indien

Distribution en taille

Origine des masses d'air

Marine aerosols

Hygroscopicity

Indian ocean

Size distribution

Air mass type

Résumé

Six campagnes océanographiques ont permis de collecter des observations d'aérosols marins sur la partie sud-ouest de l'océan Indien en 2021 et 2023. Un ensemble d'instruments dédiés à la mesure d'aérosols (SMPS, OPC-N3, CCN-100) a été utilisé pour étudier la variabilité spatiale et temporelle de la distribution en taille des aérosols, des noyaux de condensation nuageux (CCN), des diamètres d'activation et de l'hygroscopicité (k). Le nombre total d'aérosols varie fortement avec des concentrations supérieures à 1500 cm-3 au nord de Madagascar et au milieu de l'océan Indien, et des concentrations inférieures à 200 cm-3 dans la partie est de l'océan subtropical Indien. Les plus fortes concentrations d'aérosols dans le mode grossier sont observées au sud de 40 °S et associées à la production primaire d'aérosols marins en condition de vent fort et de forte houle. La concentration de CCN à 0.4 % de sursaturation est globalement comprise entre 100 cm-3 et 500 cm-3 mais des valeurs aussi faibles que 50 cm-3 sont occasionnellement mesurées. À 0.2 % de sursaturation, le diamètre d'activation moyen est de 104 nm et est associé à un k de 0.36. À 0.4 % de sursaturation, le diamètre est de 76 nm et le k de 0.25. Les aérosols ont été classés selon l'origine des masses d'air en trois catégories : continentale, subtropicale indienne, océan Indien sud. Le mode grossier de la distribution en taille des aérosols est centré autour de 1.7 μm et sa concentration est maximale pour les masses d'air provenant du sud de l'océan Indien. Les aérosols des masses d'air continentales sont plus hydrophobes et associés à un k compris entre 0.1 et 0.13, ceux des masses d'air subtropicales indiennes sont plus hydrophiles et associés à des k compris entre 0.24 et 0.4, et ceux des masses d'air provenant du sud de l'océan Indien sont associés à des k compris entre 0.17 et 0.22. Une chute significative du k entre 0.2 % et 0.4 % de sursaturation lorsque la vitesse du vent augmente est observée pour les masses d'air sud indiennes, et est probablement liée à une plus forte présence d'espèces organiques à la surface des plus petits aérosols. Trois cas d'étude associés à de fortes concentrations en aérosols ont été analysés. Une période au nord de Madagascar pendant laquelle le navire est sous l'influence de masses d'air passant dans une couche limite peu développée au-dessus de Madagascar. Un cas de nucléation au milieu de l'océan Indien déclenché en période de temps clair entre deux périodes nuageuses. Une période de tempête au cours de laquelle la concentration en aérosols diminue dans un premier temps lorsque le navire est sous l'influence de masses d'air ayant traversé une zone de précipitation, puis augmente ensuite à mesure que le navire s'éloigne du système. Deux cas d'étude supplémentaires ont permis d'observer la distribution en taille des aérosols en condition pristine dans la partie sud de l'océan Indien et sous l'influence de masses d'air provenant de l'Antarctique au sud de Kerguelen.

Marine aerosol observations during 6 campaigns carried out in 2021 and 2023 in the south-western Indian Ocean onboard the Marion Dufresne vessel are presented. A set of aerosol instruments (SMPS, OPC-N3, CCN-100) was used to study the spatial and temporal variability of the aerosol size distri- bution, cloud condensation nuclei (CCN), activation diameters, and hygroscopicity (k). The total number of aerosols exhibited strong variability, with concentrations greater than 1500 cm-3 north of Madagascar as well as in the middle of the subtropical Indian Ocean, and lower than 200 cm-3 in the eastern part of the subtropical Indian Ocean. The strongest concentrations of supermicronic aerosols were observed south of 40 °S and were associated with primary emissions during strong winds and heavy swells. CCN measured at 0.4 % supersaturation generally fluctuated between 100 cm-3 and 500 cm-3, with occasional minima as low as 50 cm-3 . At 0.2 % supersaturation, the average activation diameter was 104 nm, with an associated k of 0.36. At 0.4 % supersaturation, the average activation diameter was 76 nm, with an average k of 0.25. Using a back-trajectory model, the aerosol data were classified according to their main source regions: continental, Subtropical Indian Ocean, and Southern Indian Ocean. The coarse mode was centered at 1.7 μm of mean diameter, with its maximum number concentration measured for the Southern Indian Ocean air masses. Aerosols were more hydrophobic for continental air masses (k from 0.1 to 0.13), hydrophilic for subtropical In- dian Ocean air masses (k from 0.24 to 0.4), and intermediate values were found for Southern Indian Ocean air masses (k from 0.17 to 0.22). Southern Indian Ocean air masses exhibited a significant drop in k values (between 0.2 % and 0.4 % supersaturation) when the wind speed increased, likely due to a higher concentration of organic species on the surface of the smallest particles. Three specific events highlighted high aerosol concentrations. Elevated Na observed during a pollution event north of Madagascar matched the passage of air masses through a well-developed boundary layer over Madagascar before their subsidence toward the ship's location. Na reaching 4000 cm-3 north of Crozet Island was related to a nucleation event, which was possible when the ship encountered clear sky conditions between two periods of cloudy sky. Finally, Na exhibited high concentrations as the ship moved away from a storm that occurred between the Kerguelen Islands and Réunion Island. Two additional case studies were carried out to observe the size distribution of aerosols under pristine conditions in the southern Indian Ocean and under the influence of Antarctic air masses south of Kerguelen.