Interprétation de la lumière diffusée par des particules

(P. Personne, V. Shcherbakov, C. Verhaege)

La connaissance des propriétés optiques et microphysiques des particules atmosphériques (aérosols, nuage d'eau liquide et/ou de glace, de poussières ou de particules volcaniques) est nécessaire pour la modélisation du bilan énergétique de la Terre, pour l'estimation de la durée de vie des nuages et pour la détection des constituants de l'atmosphère.

Afin de collecter des mesures en nuages, des appareils de mesure appelés néphomètres, ont été conçus et réalisés à Montluçon. Ces appareils sont placés généralement sous les ailes des avions utilisés durant des campagnes de mesures internationales. Le traitement de ces mesures ont fait l'objet de plusieurs articles avec les données collectées durant les campagnes internationales CIRCLE-2 et ASTAR. Dans le cas de CIRCLE-2 il s'agissait d'évaluer les propriétés optiques des cristaux de glace qui se forment dans les nuages de type Cirrus (nuage très haut dans l'atmosphère). Dans le cas de ASTAR les données issues de différents appareils ont été couplées afin de déduire les propriétés optiques et microphysiques (taille, forme, nombre des particules) des nuages de type nimbostatus.

D'autre part l'interprétation des mesures a mis en évidence la multiplication des cristaux de glace par fragmentation des étoiles à 6 branches. Le problème est de savoir si cette fragmentation est naturelle ou liée à nos appareils de mesure. Précédemment la part de la fragmentation naturelle avait été estimée à environ 18%. Des études statistiques ont été faites en 2010 pour quantifier de façon plus précise le phénomène de fragmentation lié à nos appareils de mesure. Les résultats de cette étude a fait l'objet d'une publication.

Le travail en cours consiste à comprendre théoriquement ces mesures. Dans le cas de particules sphériques, la théorie de Mie donne une représentation modélisable des propriétés optiques ce qui doit permettre de développer une méthode d’inversion permettant de déduire la granulométrie (taille) et la nature des particules (indice de réfraction).

Dans le cas des particules non sphériques mais de forme géométrique simple (pollen, cristaux de glace), la méthode de "ray tracing" pourra être appliquée.

lycopode
Exemple : particule atmosphérique de forme géométrique simple : pollen Lycopode


Dans le cas où les particules sont globalement sphériques mais avec une rugosité de surface importante on utilise le modèle de CHEBYSHEV. Pour cette partie du travail il existe une collaboration avec le DLR (Centre Aérospatiale Allemand)

Ce travail s’effectue en collaboration avec plusieurs autres laboratoires. Pour les sables sahariens, nous travaillons avec le Laboratoire Inter-universitaire des Systèmes Atmosphériques (LISA, Paris VII et XII). Nous coopérons également sur ce sujet avec l'Institut de Radio Protection et de Sûreté Nucléaire (IRPSN, Saclay).

Un sujet de thèse est proposé sur ce sujet : vous pouvez le voir sur cette page