Quantification des effets de l’état de mélange de simulation sur les propriétés optiques des aérosols

Les particules dans l’atmosphère affectent le climat mondial. Par exemple, le noir de carbone provenant de la combustion de combustibles fossiles absorbe et émet de la lumière et de la chaleur. Pour calculer les effets des aérosols sur le climat, les scientifiques s’appuient sur des champs d’aérosols simulés. La façon dont ces modèles représentent l’état de mélange des aérosols introduit potentiellement de grandes incertitudes dans les calculs climatiques. En effet, les propriétés optiques des aérosols simulés (comment les particules absorbent et diffusent la lumière) sont sensibles à l’état de mélange. L’état de mélange fait référence à la façon dont diverses propriétés sont réparties entre les particules dans l’air.

Dans une nouvelle étude publiée dans Chimie et physique de l’atmosphère, les chercheurs ont systématiquement quantifié l’effet de l’état de mélange des aérosols sur les propriétés optiques des aérosols. Pour ce faire, ils ont utilisé un ensemble de 1 800 populations d’aérosols issues de différentes simulations résolues en particules. Ces simulations complexes opèrent à l’échelle de particules individuelles.

L’étude des impacts de l’état de mélange des aérosols sur les propriétés optiques des aérosols est importante à la fois pour la modélisation et les études expérimentales. Ce nouvel article aborde ce sujet en utilisant des simulations résolues par particules comme référence. Il applique cette référence pour déterminer l’erreur dans les propriétés optiques lors de l’utilisation de représentations simplifiées des aérosols. Ces représentations simplifiées sont courantes dans les modèles d’aérosols de pointe. Les chercheurs ont démêlé les causes des biais dans la prédiction des propriétés optiques qui sont introduites en supposant que les particules se mélangent dans des bacs de taille prescrite. Certaines de ces erreurs sont suffisamment importantes pour justifier la prudence lors du calcul de la manière dont les particules affectent directement le climat.

Dans le cadre de l’étude, une équipe de recherche a systématiquement quantifié les erreurs introduites par les hypothèses de mélange interne utilisées dans les modèles d’aérosols en coupe. L’hypothèse de mélange interne conduit généralement à une surestimation des coefficients d’absorption volumique et à une sous-estimation des coefficients de diffusion volumique. Les erreurs relatives pour ϵ(βabs) et ϵ(βscat) ont atteint respectivement 70 % et -32 %. La surestimation de l’absorption et la sous-estimation de la diffusion ont entraîné une sous-estimation constante de l’albédo de diffusion unique, avec des erreurs allant jusqu’à -22,3 % et des erreurs médianes de -0,9 %. L’erreur relative dans le coefficient d’absorption volumique ϵ(βabs) a affiché un schéma similaire pour une humidité relative de 50 % et 90 % par rapport à l’environnement sec. L’erreur relative dans le coefficient de diffusion volumique ϵ(βscat) a diminué à une humidité relative plus élevée en raison de la section efficace de diffusion améliorée par croissance hygroscopique.

L’équipe comprenait des chercheurs de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, de l’Agence météorologique japonaise, de l’Institut national japonais de recherche polaire, de l’Institut japonais de recherche sur l’humanité et la nature et du Centre national de recherche atmosphérique.