Percolation du black carbon pendant la fonte de la neige

Présentation :

Différents type de particules colorent la surface de la neige, baissent son albédo, augmentent l’énergie solaire absorbée et accélèrent donc la fonte de la neige (Réveillet et al. 2022). Plus les particules se trouvent proche de la surface, plus elles diminuent l’albédo, il est donc essentiel de s’intéresser à la concentration en impuretés proche de la surface.

Parmi ces impuretés, on retrouve notamment le black carbon issue de combustions incomplètes de l’industrie, des transports ou du chauffage. Cette particule est invisible à l’œil nu (taille inférieur au micron). Les particules de black carbon forment un aérosol qui se déplace par voie aérienne, puis ces particules se retrouvent à l’intérieur ou à l’extérieur des grains de neige. Ainsi, le black carbon module la fonte de la neige sur tout l’hémisphère Nord avec des impacts non négligeables (Flanner et al. 2007).

Lorsque le manteau neigeux fond, certaines particules s’accumulent en surface et d’autres particules percolent avec l’eau liquide à travers le manteau neigeux (Doherty et al. 2013). Par exemple, pour les particules de poussières sahariennes (taille > 1 micron), ce phénomène de percolation est très faible : ces particules s’accumulent quasiment toutes en surface au fur et à mesure de la fonte.

Pour le black carbon, une certaine proportion des particules percolent à travers le manteau neigeux. Cette capacité à percoler (scavenging efficiency) reste encore soumise à de grandes incertitudes. On ne comprends pas encore avec précision combien de particules percolent avec l’eau liquide et comment elles percolent.

Des modèles numériques représentent explicitement ces impuretés pour modéliser leur effet sur l’albédo (ex : CLM, Crocus). La percolation des impuretés dans ces modèles se calcule actuellement avec le flux d’eau liquide, la concentration d’impuretés et un constante d’efficacité. Cette constante d’efficacité est soumise à de grandes incertitudes, comme le sont les connaissances liées au processus. Une meilleure connaissance du processus physique aboutirait alors à une amélioration de son implémentation.

Objectifs :

Les objectifs du stage sont donc d’améliorer la compréhension du processus de percolation du black carbon lors de la fonte de la neige. Pour cela, (i) le candidat mettra en œuvre une expérience de fonte contrôlée en chambre froide permettant d’expliquer et de quantifier ce processus. En parallèle (ii) l’étudiant mettra en équation ce processus et interprétera les résultats de l’expérience à la lumière de ces équations. En dernier lieu, les point (i) et (ii) pourront être appliqués à des simulations du manteau neigeux pour mieux quantifier l’impact du black carbon pendant les périodes de fonte.

Références :

M. Réveillet et al., « Black carbon and dust alter the response of mountain snow cover under climate change », Nat Commun, vol. 13, no 1, Art. no 1, sept. 2022, doi : 10.1038/s41467-022-32501-y.

F. Tuzet et al., « A multilayer physically based snowpack model simulating direct and indirect radiative impacts of light-absorbing impurities in snow », The Cryosphere, vol. 11, no 6, p. 2633‑2653, nov. 2017, doi : 10.5194/tc-11-2633-2017.

S. J. Doherty, T. C. Grenfell, S. Forsström, D. L. Hegg, R. E. Brandt, et S. G. Warren, « Observed vertical redistribution of black carbon and other insoluble light-absorbing particles in melting snow », Journal of Geophysical Research : Atmospheres, vol. 118, no 11, p. 5553‑5569, 2013, doi : 10.1002/jgrd.50235.

M. G. Flanner, C. S. Zender, J. T. Randerson, et P. J. Rasch, « Present-day climate forcing and response from black carbon in snow », Journal of Geophysical Research : Atmospheres, vol. 112, no D11, 2007, doi : 10.1029/2006JD008003.