Aerosol study using laboratory and IASI measurements : application to East Asian deserts
Étude des aérosols à partir de mesures en laboratoire et IASI : application aux déserts d'Asie de l'Est
Résumé
East Asia is the second largest source of mineral-type aerosols in the world after the Sahara. These can modify the Earth's radiative balance due to their properties of absorption and diffusion of atmospheric radiation. Therefore, precise information on the physico-chemical properties of desert dust is essential to understand and better quantify their impact on the atmosphere. In this context, this thesis aims to test the potential of a new methodological approach combining laboratory measurements and satellite remote sensing for better characterization of aerosols from desert and semi-arid surfaces. Its application concerns studying desert storm events in East Asia from the IASI space instrument.One of the major difficulties of this work comes from the fact that the mineral dust emitted in this region is emitted mainly above the continental surface and in the lower troposphere, which poses constraints linked, on the one hand, to a low sensitivity due to a lack of thermal contrast and on the other hand due to the great influence and variability of the Earth's surface emissivity (LSE). Thus, the first part of this work focused on improving the consideration of LSE by developing a new methodology from a set of average monthly emissivity data.Then, experimental extinction coefficients of pure minerals were linearly combined to reproduce a spectrum of Gobi dust, which made it possible to obtain the mineralogical mass fractions. In addition, from the IASI radiances, an optical thickness of Gobi dust was calculated, displaying characteristics identical to those measured in the laboratory. The linear combination of pure mineral spectra was then applied to IASI optical thickness, providing mineralogical mass fractions. Finally, the entire methodology was applied to two dust events during two different seasons and years: May 2017 and March 2021. The method made it possible to obtain the first spatial and temporal distributions of the chemical composition of desert aerosols. The average mass fractions obtained for particles from the Gobi Desert, Taklamakan Desert, and Horqin Sandy Land are close to mass fractions from the literature. In addition, these results on the chemical composition made it possible to link aerosols' spatial variability to dust emission sources, confirmed using a retro-trajectory model. In addition, comparing two IASI instruments on MetOp A and B showed good consistency, allowing us to consider the method's applicability to different MetOp platforms having the same instrument type. The results presented in this manuscript represent an important advance in improving the characterization of desert aerosols by space remote sensing, in particular concerning the analysis of the chemical composition.
L'Asie de l'Est est la deuxième source d'aérosols de type minérale au monde après le Sahara. Celles-ci peuvent modifier le bilan radiatif de la Terre de par leurs propriétés d'absorption et de diffusion du rayonnement atmosphérique. Par conséquent, une information précise des propriétés physico-chimiques des poussières désertiques est essentielle pour comprendre et mieux quantifier leur impact sur l'atmosphère.Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est de tester le potentiel d'une nouvelle approche méthodologique combinant mesures de laboratoire et de télédétection satellitaire pour une meilleure caractérisation des aérosols issus des surfaces désertiques et semi-arides. L'application de celle-ci porte sur l'étude d'évènements de tempêtes désertiques dans l'Est Asiatique à partir de l'instrument spatial IASI.Une des difficultés majeures de ce travail vient du fait que la poussière minérale émise dans cette région réside majoritairement au-dessus de la surface continentale et dans la basse troposphère, ce qui pose des contraintes liées d'une part à une faible sensibilité par manque de contraste thermique et d'autre part dues à la grande influence et l'importante variabilité de l'émissivité de la surface terrestre (EST). Ainsi, la première partie de ce travail s'est attachée à améliorer la prise en compte de l'EST en développant une nouvelle méthodologie à partir d'un ensemble de données d'émissivité mensuelle moyenne.Ensuite, des coefficients d'extinction expérimentaux des minéraux purs ont été combinés linéairement pour reproduire un spectre de poussières de Gobi, ce qui a permis d'obtenir les fractions massiques minéralogique. De plus, à partir des luminances IASI, une épaisseur optique de poussières de Gobi a été calculée, affichant des caractéristiques identiques à celle mesurée en laboratoire. La combinaison linéaire des spectres de minéraux purs a ensuite été appliquée à l'épaisseur optique IASI, fournissant des fractions massiques minéralogiques.Enfin, l'ensemble de la méthode a été appliqué à deux événements de poussières au cours de deux saisons et années différentes : Mai 2017 et Mars 2021. Ce qui a permis d'obtenir les premières distributions spatiales et temporelles de la composition chimique d'aérosols désertiques. Les fractions massiques moyennes obtenues pour les particules provenant du désert de Gobi, du désert de Taklamakan et de Horqin Sandy Land sont proches des fractions massiques de la littérature. De plus, ces résultats sur la composition chimique ont permis de lier la variabilité spatiale des aérosols aux sources d'émission de poussières, confortée à l'aide d'un modèle de rétro-trajectoires. De plus, une comparaison entre deux instruments IASI sur Metop A et B a montré une bonne cohérence, permettant d'envisager l'applicabilité de la méthode à différentes plates-formes Metop, voir à d'autres instruments du même type. Les résultats exposés dans ce manuscrit représentent une avancée importante quant à l'amélioration de la caractérisation des aérosols désertiques par télédétection spatiale, notamment concernant l'analyse de la composition chimique.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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