Description

Les régions polaires sont des observatoires privilégiés du changement climatique, où les interactions entre aérosols, nuages et rayonnement jouent un rôle prépondérant dans l'amplification polaire. Les processus chimiques en lien avec la destruction de l’ozone, notamment via les nuages stratosphériques polaires dépendants des tendances sur la température, ainsi que les processus dynamiques, tels que le vortex polaire ou les ondes de gravité, sont aujourd’hui bien documentés ; cependant la représentation dans les modèles globaux de la microphysique des nuages mixtes et des aérosols stratosphériques reste une source d'incertitude majeure.

Bien que de nombreux mécanismes soient communs aux deux pôles, de fortes spécificités subsistent en termes de sources d’aérosols, d’orographie, d’étendue des champs de nuage, d’interactions avec les basses couches atmosphériques, de dynamique et d’impact sur la surface. Les perturbations stratosphériques majeures observées récemment, telles que les feux australiens de 2019-2020 et l’éruption sous-marine du Hunga Tonga en 2022, ont injecté une charge particulaire inédite ensuite transportée jusqu’au-dessus du continent antarctique, désormais reconnue par la communauté scientifique (Millán et al., 2022, Santee et al, 2024). Ces événements soulèvent des questions fondamentales concernant la sédimentation des particules, leur rôle potentiel comme noyaux de nucléation nuageux en troposphère et, à plus long terme, leur impact sur l’albédo de surface. Ils renforcent l’intérêt des observations en régions polaires, dont la densité reste faible et le déploiement instrumental particulièrement contraignant.

La station scientifique française de Dumont d’Urville (DDU – 140°E, 66°S) accueille depuis plusieurs décennies un programme de surveillance atmosphérique financé et opéré par l’Institut polaire français Paul-Emile Victor. Des mesures lidar de la composition en aérosols et nuages y sont réalisées en routine, avec une évolution récente de l’instrumentation en adéquation avec les nouvelles questions scientifiques. Depuis 2022, le lidar de DDU constitue une configuration unique pour la surveillance de la moyenne atmosphère, combinant des signaux dans l’IR, le Visible et l’UV (Tencé F., theses.hal.science/tel-04071938, 2022). En parallèle, le lancement du satellite EarthCARE en 2024 et l’embarquement du lidar ultraviolet ATLID offrent des perspectives très prometteuses pour la caractérisation fine des structures verticales et de la phase des aérosols et nuages, ainsi que pour l’étude de leur variabilité spatiale (Donovan et al., 2024).

Cette thèse propose d’exploiter conjointement les observations du lidar sol de DDU et celles du lidar spatial d’ATLID afin d’étudier la représentativité régionale de la station antarctique, considérée comme un observatoire austral privilégié de l’entrée des masses d’air issues des moyennes latitudes. L’analyse combinée des données sol et spatiales permettra de valider les signaux lidar, de caractériser des panaches d’aérosols stratosphériques et des nuages fins, et d’établir des variables optiques et microphysiques pertinentes pour les hautes latitudes. L’utilisation d’outils de modélisation optique, en interaction avec des schémas microphysiques de modèles méso-échelle, permettra d’aider à l’évaluation et à la contrainte des paramétrisations des aérosols et des nuages ; l’enjeu est de faire de Dumont d’Urville une passerelle entre observation locale, modélisation régionale et observation spatiale, contribuant ainsi à la réduction des incertitudes associées à l’amplification polaire.

Compétences requises

M2 de physique ou de sciences de l'atmosphère, ou diplôme d'ingénieur équivalent

Bibliographie

Donovan, D. P., van Zadelhoff, G.-J., and Wang, P.: The EarthCARE lidar cloud and aerosol profile processor (A-PRO): the A-AER, A-EBD, A-TC, and A-ICE products, Atmos. Meas. Tech., 17, 5301–5340, https://doi.org/10.5194/amt-17-5301-2024, 2024.

Millán, L., Santee, M. L., Lambert, A., Livesey, N. J., Werner, F., Schwartz, M. J., Pumphrey, H. C., Manney, G. L., Wang, Y., Su, H., Wu, L., Read, W. G., and Froidevaux, L.: The Hunga Tonga-Hunga Ha'apai Hydration of the Stratosphere, Geophys. Res. Lett., 49, e2022GL099381, https://doi.org/10.1029/2022GL099381, 2022.

Tencé, F.: Caractérisation de la moyenne atmosphère polaire par sondage lidar multispectral à la station Dumont d'Urville, PhD thesis, Sorbonne Université, https://theses.hal.science/tel-04071938, 2022.

Zhou, X., Dhomse, S. S., Feng, W., Mann, G., Heddell, S., Pumphrey, H., Kerridge, B. J., Latter, B., Siddans, R., Ventress, L., Querel, R., Smale, P., Asher, E., Hall, E. G., Bekki, S., and Chipperfield, M. P.: Antarctic vortex dehydration in 2023 as a substantial removal pathway for Hunga Tonga-Hunga Ha'apai water vapor, Geophys. Res. Lett., 51, e2024GL109829, https://doi.org/10.1029/2024GL109829, 2024.

Mots clés

Microphysique, Optique, Stratosphère, Lidar, Antarctique, Climat