Les aérosols atmosphériques constituent l’une des plus grandes incertitudes dans l’étude des processus de changement climatique. La diversité des leurs sources et mécanismes de formation rendent la distribution spatiale des aérosols très inhomogène ce qui nécessite la mise en place d’une instrumentation et de méthodes d’observation sophistiquées. Un nouveau photomètre solaire aéroporté PLASMA permet d’effectuer des mesures d’épaisseur optique des aérosols sur une large gamme spectrale (0.34−2.25 μm) et à différentes altitudes. La détermination de la distribution verticale des propriétés optiques des aérosols peut ainsi être utilisée pour valider les algorithmes d’inversion des mesures lidar. Il est possible de remonter à la distribution de taille des particules d’aérosol à différents niveaux. En outre, l’instrument peut être installé sur un véhicule afin de mesurer les profils horizontaux du contenu des aérosols. Cette étude est consacrée à la caractérisation et à l’étalonnage de l’instrument et à l’analyse de plusieurs jeux de données. De nombreuses mesures au sol, aéroportées et depuis un véhicule ont réalisées et sont comparées aux mesures d’autres instruments. L’étude de la sensibilité de l’algorithme d’inversion de Oleg Dubovik a montré qu’il est possible d’obtenir la distribution en tailles des particules à partir de mesures d’épaisseur optique quand l’indice de réfraction est connu avec une certaine précision. Les mesures aéroportées ont ainsi été inversées et les distributions de tailles obtenues pour différentes altitudes. Cette information permettra de mieux comprendre les processus de formation et la répartition spatiale des aérosols dans l’atmosphère. / Atmospheric aerosols still represents one of the greatest uncertainty in the study of the processes of climate change. The diversity of aerosol sources and their formation mechanisms make the spatial distribution of aerosols very inhomogenous and requires numerous instruments and different approaches for their analysis. A new multi-wavelength airborne sun photometer PLASMA (Photomètre Léger Aéroporté pour la Surveillance des Masses d’Air) developed in the Laboratory of Atmospheric Optics allows providing on-board measurements of aerosol optical depth over a wide (0.34 − 2.25 μm) spectral range and at different altitudes. The information of vertical distribution of aerosol optical properties can be then used to validate the lidar processing algorithms. It is possible to retrieve from PLASMA measurements the size distribution of the aerosol particles at different levels. Also, the instrument can be installed on an automobile in order to measure the horizontal profiles of AOT. This study is dedicated to characterization and calibration of PLASMA and to the analysis of several data sets. Numerous ground-based, airborne and automobile measurements were held and compared with other instruments. Sensitivity study of the Dubovik’s inversion algorithm showed that it is possible to get the particle’s size distribution from only AOD measurements assuming a value of the refractive index within a limited domain. Airborne PLASMA measurements were inverted and size distributions of the aerosol particles were obtained at different altitudes. This new information is helpful to better understand the formation and spatial distribution of aerosols in the atmosphere.

Ces travaux de recherche se sont focalisés sur la zone Océan Indien austral et ont permis d'améliorer les connaissances scientifiques sur la provenance des masses d'air polluées, sur leur distribution spatiale, sur la contribution relative des zones sources à la charge en polluant mesurée, et sur les propriétés optiques des aérosols détectés. La prépondérance de l'influence du transport des masses d'air polluées en provenance d'Afrique Australe et d'Amérique Latine à la concentration en polluant dans le sud-ouest de l'océan Indien a ainsi été démontrée en utilisant des mesures par spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier et des modèles de dispersion de panache couplés à des bases de données d'émission. Une voie de transport privilégiée reliant l'Asie du sud-est au sud-ouest de l'océan Indien dans la haute troposphère en Juillet-Août, ainsi que l'apport en CO résultant, ont été identifiés pour la première fois. La variation saisonnière de la concentration en ozone troposphérique dans le sud de l'océan Indien a également été mise en évidence, ainsi que son lien avec les émissions de précurseurs d'ozone provenant des feux de biomasse se produisant en Afrique Australe et en Amérique Latine. L'analyse des données photométriques AERONET a permis d'établir une climatologie des caractéristiques optiques des aérosols à la verticale de la Réunion, qui apparaît comme étant un site relativement propre dont la troposphère est principalement affectée par les aérosols marins tout au long de l'année, et également par les aérosols de feu pendant la saison des feux australe. De plus, des campagnes de mesure avec lidar et photomètre embarqués à bord d'un navire sillonnant l'océan Indien austral a donné accès à l'évaluation de l'extension verticale et des propriétés optiques d'un panache d'aérosols de feux provenant principalement d'Amérique Latine et d'Afrique Australe, mais aussi d'Asie du sud-est.

Ces travaux de recherche se sont focalisés sur la zone Océan Indien austral et ont permis d'améliorer les connaissances scientifiques sur la provenance des masses d'air polluées, sur leur distribution spatiale, sur la contribution relative des zones sources à la charge en polluant mesurée, et sur les propriétés optiques des aérosols détectés. La prépondérance de l'influence du transport des masses d'air polluées en provenance d'Afrique Australe et d'Amérique Latine à la concentration en polluant dans le sud-ouest de l'océan Indien a ainsi été démontrée en utilisant des mesures par spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier et des modèles de dispersion de panache couplés à des bases de données d'émission. Une voie de transport privilégiée reliant l'Asie du sud-est au sud-ouest de l'océan Indien dans la haute troposphère en Juillet-Août, ainsi que l'apport en CO résultant, ont été identifiés pour la première fois. La variation saisonnière de la concentration en ozone troposphérique dans le sud de l'océan Indien a également été mise en évidence, ainsi que son lien avec les émissions de précurseurs d'ozone provenant des feux de biomasse se produisant en Afrique Australe et en Amérique Latine. L'analyse des données photométriques AERONET a permis d'établir une climatologie des caractéristiques optiques des aérosols à la verticale de la Réunion, qui apparaît comme étant un site relativement propre dont la troposphère est principalement affectée par les aérosols marins tout au long de l'année, et également par les aérosols de feu pendant la saison des feux australe. De plus, des campagnes de mesure avec lidar et photomètre embarqués à bord d'un navire sillonnant l'océan Indien austral a donné accès à l'évaluation de l'extension verticale et des propriétés optiques d'un panache d'aérosols de feux provenant principalement d'Amérique Latine et d'Afrique Australe, mais aussi d'Asie du sud-est. / This thesis focused on the southern Indian Ocean area and contributed to improve our scientific knowledge on the origin of polluted air masses, on their spatial distribution, on the relative contribution of the identified source regions to the measured pollutant loading, and on the optical properties of the encountered aerosols. The potential primary sources for CO throughout the south-western Indian Ocean troposphere are southern Africa and South America. A secondary potential contribution from Southeast Asia and Indonesia-Malaysia was identified in the upper troposphere, especially in July and August. The seasonal variation of tropospheric ozone concentration in the southern Indian Ocean is highlighted, and its link to wintertime long range transport of tropospheric ozone precursors emitted in biomass burning plumes from southern America and Africa is evidenced. The analysis of sun photometer measurements gave access to a climatology of the optical properties of aerosols in Reunion Island, showing this site can be considered as a clean site, mostly influenced by marine aerosols throughout the year, and also by biomass burning aerosols during the southern hemisphere biomass burning season. A unique data set of shipborne measurements has been collected with a dual Rayleigh-Mie lidar and a handheld sun photometer aboard a research vessel crossing the southern Indian Ocean, and the time evolution of the encountered marine and biomass burning aerosols extinction properties and vertical extension are documented.

Aerosols are small, micrometer-sized particles, whose optical effects coupled with their impact on cloud properties is a source of large uncertainty in climate models. While their radiative forcing impact is largely of a cooling nature, there can be significant variations in the degree of their impact, depending on the size and the nature of the aerosols. The radiative and optical impact of aerosols are, first and foremost, dependent on their concentration or number density (an extensive parameter) and secondly on the size and nature of the aerosols (intensive, per particle, parameters). We employed passive (sunphotmetry) and active (backscatter lidar) measurements to retrieve extensive optical signals (aerosol optical depth or AOD and backscatter coefficient respectively) and semi-intensive optical signals (fine and coarse mode OD and fine and coarse mode backscatter coefficient respectively) and compared the optical coherency of these retrievals over a variety of aerosol and thin cloud events (pollution, dust, volcanic, smoke, thin cloud dominated). The retrievals were performed using an existing spectral deconvolution method applied to the sunphotometry data (SDA) and a new retrieval technique for the lidar based on a colour ratio thresholding technique. The validation of the lidar retrieval was accomplished by comparing the vertical integrations of the fine mode, coarse mode and total backscatter coefficients of the lidar with their sunphotometry analogues where lidar ratios (the intensive parameter required to transform backscatter coefficients into extinction coefficients) were (a) computed independently using the SDA retrievals for fine mode aerosols or prescribed for coarse mode aerosols and clouds or (b) computed by forcing the computed (fine, coarse and total) lidar ODs to be equal to their analog sunphotometry ODs. Comparisons between cases (a) and (b) as well as the semi-qualitative verification of the derived fine and coarse mode vertical profiles with the expected backscatter coefficient behavior of fine and coarse mode aerosols yielded satisfactory agreement (notably that the fine, coarse and total OD errors were <~ sunphotometry instrument errors). Comparisons between cases (a) and (b) also showed a degree of optical coherency between the fine mode lidar ratios.