Impact des feux intenses sur la chimie de la basse stratosphère

Impact of intense fires on the chemistry of the stratosphere

• Auteur / Autrice : Loïc Vieille
• Direction : Gwenael Berthet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de l'Univers
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers - EMSTU
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique et chimie de l'environnement et de l'espace (Orléans ; 2012-...)

Mots clés

Mots clés libres

Modélisation 3D globale

Stratosphère

Feux

Aérosols organiques

Chimie atmosphérique

Stratosphere

Fires

3D global modelling

Atmospheric chemistry

Organic aerosols

Résumé

Les pyrocumulonimbus créés durant les incendies très intenses de forêt et de tourbières ont la capacité d'injecter des aérosols jusque dans la basse stratosphère comme ce fut le cas durant les incendies australiens en 2009 (Black Saturday), les feux canadiens en 2017, les feux sibériens en 2019 et les incendies du nouvel an australien en 2020. Ces derniers incendies se sont produits du 29 décembre 2019 au 7 janvier 2020 et ont injecté une quantité d'aérosols estimée entre 0,3 et 2,1 millions de tonnes dans la stratosphère jusqu'à une altitude de 32 km grâce au chauffage local créé par l'absorption radiative des aérosols. La réactivité chimique dans la basse stratosphère de ces aérosols carbonés et organiques est encore très mal connue. Durant les feux australiens de 2020 ces aérosols ont été estimés être constitués en masse de 2,5 % de black carbone et de 97,5 % de matières organiques. Il est ainsi admis que les particules de fumée sont constituées d'un mélange interne riche en matière organique volatile et en composés sulfatés. La présence de matières organiques pourrait modifier l'absorption des espèces halogénées voir les taux de réaction et ainsi conduire à une chimie différente de celle des aérosols volcaniques composées d'un mélange d'acide sulfurique et d'eau. Plusieurs études ont également montrées une modification des concentrations d'ozone et des NOx dans la basse stratosphère quelques mois après les incendies. L'ensemble de ces études ne fournit pas encore de consensus sur l'ampleur de l'appauvrissement de l'ozone qui peut attendre plusieurs dizaines de pourcents au sein des vortex de fumée. Les prévisions climatiques prévoient que de tels feux intenses vont devenir de plus en plus fréquents et intenses. Les extinctions optiques de tels feux sont équivalentes à celles mesurées lors d'éruptions modérées comme l'éruption du Calbuco en 2015. Cela a pour conséquence d'engendrer une modification du bilan radiatif de l'atmosphère avec un réchauffement de la stratosphère et un refroidissement de la surface. Durant la thèse nous prévoyons d'étudier les perturbations de la chimie dans la basse stratosphère engendrées par ces méga-feux grâce à un modèle global de chimie-climat et aux données satellites. Les différents feux (forêt, tourbières) pourront être simulés via des facteurs d'émissions ou modélisés par un modèle de surface continentale comme Orchidée. L'altitude d'injection sera validée via des calculs de trajectoires.

Pyrocumulonimbus clouds created during very intense forest and peatland fires have the ability to inject aerosols into the lower stratosphere, as it was the case during the 2009 Australian fires (Black Saturday), the 2017 Canadian fires, the 2019 Siberian fires and the 2020 Australian New Year fires. The latter fires occurred from 29 December 2019 to 7 January 2020 and injected an estimated 0.3 to 2.1 million tons of aerosols into the stratosphere up to an altitude of 32 km due to local heating created by radiative absorption of aerosols. The chemical reactivity in the lower stratosphere of these carbonaceous and organic aerosols is still poorly understood. During the Australian fires of 2020 these aerosols were estimated to be 2.5% black carbon by mass and 97.5% organic material. It is thus accepted that smoke particles consist in an internal mixture rich in volatile organic matter and sulphate compounds. The presence of organic matter could modify the chemical absorption of halogenated species or the reaction rates, thus leading to a different chemistry from that of volcanic aerosols composed of a mixture of sulphuric acid and water. Several studies have also shown changes in ozone and NOx concentrations in the lower stratosphere a few months after the fires. All these studies do not yet provide a consensus on the extent of ozone depletion which can be as high as several tens of percent within smoke vortices. Climate forecasts predict that such intense fires will become increasingly frequent and intense. The optical extinctions of such fires are broadly equivalent to those measured during moderate eruptions such as the Calbuco eruption in 2015. This results in a change in the radiation balance of the atmosphere with a warming of the stratosphere and a cooling of the surface. During the thesis we plan to study the perturbations of the chemistry in the lower stratosphere caused by these mega-fires using a global chemistry-climate model and satellite data. The different fires (forest, peatland) can be simulated via emission factors or modelled by a continental surface model like Orchid. The injection altitude will be validated via trajectory calculations.