L'étude du volcan Islandais au LMD - II

Mesures lidar au SIRTA et modélisation CHIMERE pour le panache du volcan Islandais

Travail réalisé par les personnels des équipes SIRTA et INTRO et en collaboration avec l'INERIS.

Le 14 Avril 2010, le volcan Islandais Eyjafjallajökull entre en éruption. Un intense flux de matière est émis en continu dans la troposphère. Les conditions atmosphériques vont rapidement amener ce panache de cendres au dessus de l'Europe. Cela va rapidement amener a une situation de crise par l'annulation d'une grande quantité de vols internationaux.
Ce phénomène, s'il est unique, est proche de thèmes d'études actuels au LMD. Le laboratoire a donc consacré du temps à l'étude de ce panache et, cela, avec deux moyens d'investigation différents: la mesure (par lidar rétrodiffusion) et la modélisation (de météorologie et chimietransport).

Ce type d'évènement, au delà de l'aspect événementiel, présente un caractère qui se rapproche de nombreuses activités à l'IPSL et, plus particulièrement, de thèmes de recherche du laboratoire.

Tout d'abord l'activité d'observation de la troposphère par mesures de télédetection réalisée au SIRTA. Le lidar rétrodiffusion LNA (532/1064 nm), instrument de recherche, a été exceptionnellement mis en oeuvre de manière ininterrompue sur 10 jours consécutifs. Cela a permis de cartographier immédiatement de manière précise l'arrivée du panache de cendre du volcan au dessus du SIRTA, d'avoir une quantification à haute résolution verticale, de l'altitude du panache et de son épaisseur. L’analyse de la polarisation du signal Lidar a montré la présence de ces grosses particules de forme irrégulière du 16 au 24 avril 2010. L’inversion des signaux lidar a permis ensuite de quantifier l’évolution temporelle de l’extinction de rayonnement associée à la couche de cendre. La Figure 1, ci-dessous, montre l'évolution temporelle du signal Lidar (rétrodiffusion atténuée sr-1.m-1) dans la colonne d'atmosphère au dessus du SIRTA à Palaiseau: on voit nettement que le panache reste, au fil des heures, d'une épaisseur faible (quelques centaines de mètres) tout en perdant très rapidement de l'altitude (par subsidence directement liée aux conditions anticycloniques présentes sur cette période). Les points noirs indiquent l’altitude du sommet de la couche de mélange, obtenue par Lidar, et indiquant clairement l’intrusion de la couche de cendre dans la couche limite atmosphérique à partir du 18 avril.

Parmi les projets actuellement en cours, on en notera particulièrement deux:

• Le projet APIFLAME, coordonné par Solène Turquety, et dont le but est de simuler les émissions et le transport des produits de feux en région Méditerranéenne.

• Le projet CHEDAR, en collaboration avec le LSCE (coord. P.Yiou, avec un WP modélisation impliquant Laurent Menut et Philippe Drobinski au LMD) et dont le but est de simuler l'éruption du Laki en Islande et en 1783.

Dans les deux cas, il s'agit de pouvoir comprendre et quantifier des processus encore mal connus et mal quantifiés:

• Quel est le flux de masse émis dans l'atmosphère? Des mesures permettent-elles de contraindre ce flux? Quelle est sa variabilité temporelle? Et, surtout, quelle est l'altitude d'injection dans l'atmosphère?

• Quelle est la composition chimique de de flux? Composé de gaz et particules, quelle est la distribution en taille de ces dernières?

• Quelles sont les interactions entre l'injection massive de cette matière et les concentrations de fond déjà présentes dans l'atmosphère? Quel est l'impact possible sur les concentrations de surface? Et donc: y'a t-il un impact direct de ces émissions et de ce transport sur la qualité de l'air?

 Pour tenter de lever certaines de ces incertitudes, une simulation a été réalisée avec CHIMERE (en collaboration avec l'INERIS). Différents traceurs ont été injectés dans l'atmosphère et à différentes altitudes. Le traceur passif injecté à 5000m d'altitude permet de retrouver, à plusieurs milliers de kilomètres de distance, l'apparation d'un panache et sa subsidence, au fil des heures. La Figure 2 présente, sous la même forme temps-altitude, la concentration de ce traceur.

Le bon accord entre la mesure et la modélisation permet d'avoir confiance dans des résultats plus poussés. La Figure 3 montre ainsi des séries temporelles de concentrations de ce traceur en surface et sur différents sites en Europe. Même si les “valeurs absolues” de ces concentrations restent purement indicatives (car ne reflètent que les valeurs arbitraires prescrites a l'émission), les résultats permettent de déterminer le phasage temporel de ces concentrations en fonction de la localisation des sites en Europe, les intensités différentes en fonction des lieux. A terme, ce travail sera affiné en terme de valeurs des concentrations et permettra d'extraire la part relative de cette contribution par rapport à l'ensemble.

Contacts:

IPSL/LMD: Martal Haeffelin, Christophe Pietras, Yohann Morille, Bernard Romand, Jean-Charles Dupont, Laurent Menut, Dmitry Khovorostiyanov, Solène Turquety.
Collaboration INERIS: Augustin Colette, Bertrand Bessagnet, Frédérik Meleux.

References:

A. Colette, N. Alsac, B. Bessagnet, H. Biaudet, L. Chiappini, O. Favez, E. Frejafon, F. Gautier, F. Godefroy, M. Haeffelin, E. Leoz, L. Malherbe, F. Meleux, L. Menut, Y. Morille, A. Papin, C. Pietras, M. Ramel, L. Rouil, Impact of the Eyjafjallajokull's eruption on surface air quality in France, EGU Vienne, 2010