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Soutenance de thèse

Soutenance de thèse
Monsieur Royston FERNANDES Soutiendra publiquement ses travaux de thèse sur le thème Soutenance le mardi 29 octobre 2019 à 14h00

Monsieur Royston FERNANDES

Soutiendra publiquement ses travaux de thèse sur le thème

 L'érosion éolienne en présence de végétation éparse

​​dirigés par Sylvain DUPONT et Eric LAMAUD

Soutenance le mardi 29 octobre 2019 à 14h00

Lieu : amphithéâtre Colette et Josy Bové, centre INRA de la Grande Ferrade.
71 Avenue Edouard Bourlaux
33882 Villenave d’Ornon, Cedex France.

Membres du jury :

Mme. CALMET Isabelle, ECN, Rapporteur
M. MARO, Denis IRSN, Rapporteur
M. CARISSIMO Bertrand, CEREA, Examinateur
Mme. MARTICORENA Beatrice, LISA, Examinateur
M. LAMAUD Eric, ISPA, Examinateur (co-encadrant)
M. DUPONT Sylvain, ISPA, Examinateur (directeur de thèse)

 

Résumé:

La poussière minérale atmosphérique résultant de l’érosion éolienne des sols affecte le système terrestre.
Leur distribution en taille (PSD) joue un rôle clé dans le bilan radiatif et la chimie atmosphérique, la
formation des nuages et la productivité des écosystèmes terrestres et marins. Néanmoins les modèles
climatiques peinent à reproduire précisément la PSD de la poussière émise. Ceci vient de la mauvaise
représentation dans ces modèles à grandes echelles des mécanismes d’émission de poussière et des vitesses
de vent de surface associées. C’est particulièrement vrai en présence d’éléments de rugosité de surface
comme la végétation en région semi-aride. Cette thèse vise à améliorer la compréhension de l’émission de
poussière en environnement semi-aride, caractérisé par des surfaces hétérogènes liées à la végétation
saisonnière éparse. A cette fin, une combinaison d’expériences numériques et de terrain a été employée, en
partant d’un sol nu érodable, puis de surfaces couvertes en végétation éparse.
Une revue des schémas existants a montré des ambiguïtés dans la paramétrisation des processus influençant
l’émission de poussière. Une analyse de sensibilité utilisant un modèle 1D de dispersion de poussière a
démontré (i) l’importance de la PSD de la poussière à la surface et de la paramétrisation de la cohésion entre
les particules sur la PSD de la poussière émise, et (ii) l’importance du processus de dépôt sur la PSD du flux
net de poussière. A partir de cette analyse, un nouveau schéma d’émission a été incorporé à un modèle 3D
d’érosion, couplé à un modèle turbulent Large Eddy Simulation (LES), et évalué sur une surface nue sur la
base de l’expérimentation WIND-O-V 2017 en Tunisie. Le modèle a été capable de reproduire la
dissimilarité entre les transports turbulents de la poussière et de la quantité de mouvement dans la couche de
surface, telle que observée durant l’expérience. Cela signifie que la poussière et la quantité de mouvement ne
sont pas toujours transportées par les mêmes tourbillons. Le modèle a démontré que la cause principale de
cette dissimilarité est l’intermittence de l’émission des poussières, qui varie avec l’intensité du vent et le
fetch.
L’impact de la végétation éparse sur le flux net de poussière émis a ensuite été étudié sur la base de
l’expérimentation WIND-O-V 2018, conduite sur le même site que celle de 2017. Les mesures ont été
utilisées pour évaluer le modèle 3D d’érosion incluant les caractéristiques de la végétation. La comparaison
entre les expérimentations 2017 et 2018 a confirmé que la végétation éparse réduit l’émission de poussière en
augmentant la vitesse de frottement seuil de l’érosion, qui dépend des caractéristiques de la végétation et de
la direction du vent par rapport à l'arrangement de la végétation. Nous avons observé que la PSD du flux net
de poussière émis à varié au cours de l'expérimentation 2018, contrairement à 2017, avec un appauvrissement
progressif en grosses particules (1.50 μm). Il s’est avéré que cet appauvrissement n’était pas lié à la présence
de végétation, mais à l'épuisement du sol en grosses particules en raison de périodes d’émission plus longues
en 2018 sans travail de la surface ou précipitations. Cette absence d’influence de la végétation sur la PSD du
flux de poussière a été validée par la similarité entre la PSD du flux de poussière au début de
l’expérimentation 2018, quand la végétation était à sa hauteur maximum, et celle de 2017 sans végétation.
Elle a été aussi confirmée par les simulations qui ont montré (i) une re-déposition négligeable des grosses
particules sur la végétation durant les émissions, et (ii) un effet négligeable de la turbulence induite par la
végétation sur la PSD du flux net de poussière émis.
Notre modèle 3D d’érosion apparaît comme un outil prometteur pour caractériser les émissions de poussière
sur des surfaces hétérogènes représentatives des régions semi-arides et pour établir des schémas d’émission
de poussière pour les modèles climatiques en fonction des propriétés de rugosité de la surface.

Abstract:

Atmospheric mineral dust resulting from aeolian soil erosion affects the Earth system. Their size-distribution
(PSD) plays a key role on atmospheric radiation balance, cloud formation, atmospheric chemistry, and the
productivity of terrestrial and marine ecosystems. However, climate models still fail to reproduce accurately
the suspended dust PSD. This is explained by the poor representation of the dust emission mechanisms and
the associated surface wind speed in these large-scale models. This is particularly true in the presence of
surface roughnesses such as vegetation in semiarid regions. This thesis aims at improving the understanding
of dust emission in semi-arid environments, characterized by heterogeneous surfaces with sparse seasonal
vegetation. To this end, a combination of numerical and field experiments was employed, with investigations
progressing from a bare erodible soil to surfaces with sparse vegetation.
A review of the existing dust emission schemes showed ambiguities in the parametrization of the processes
influencing the emitted dust. A sensitivity analysis, using a 1D dust dispersal model, demonstrated (i) the
importance of surface dust PSD and inter-particle cohesive bond parametrization on the emitted dust PSD,
and (ii) the importance of the deposition process on the net dust flux PSD. Based on this analysis, a new
emission scheme was incorporated into a 3D erosion model, coupled with a Large Eddy Simulation (LES)
airflow model, and evaluated first on a bare surface against the WIND-O-V’s 2017 field experiment in
Tunisia. The model was able to reproduce the near-surface turbulent transport dissimilarity between dust and
momentum observed during the experiment. This means that momentum and dust are not always transported
by the same turbulent eddies. The model demonstrated that the main cause of this dissimilarity is the dust
emission intermittency, which varies as a function of wind intensity and fetch.
The role of sparse vegetation on the net emitted dust flux was then explored using the WIND-O-V’s 2018
experiment, conducted at the same site as the 2017 experiment. The resulting field measurements were used
to evaluate the 3D erosion model, including vegetation characteristics. A comparison between the 2017 and
2018 experiments confirmed that sparse vegetation reduces dust emission by increasing the erosion threshold
friction velocity, which depends on vegetation characteristics and wind direction relative to the vegetation
arrangement. During the 2018 experiment, the net emitted dust flux PSD varied continuously, unlike the
2017 experiment, with a progressive impoverishment in coarse particles (1.50 μm). This impoverishment was
found independent of the vegetation, and resulted from the depletion of coarse particles at the surface due to
longer emission periods in 2018 without surface tillage or precipitation. This non-influence of vegetation on
the dust flux PSD was validated by the similarity of the dust flux PSD at the beginning of the 2018
experiment, when the vegetation was at its maximum height, with the one of the 2017 experiment without
vegetation. It was further confirmed by the simulations that demonstrated (i) negligible re-deposition of
coarse particles on to vegetation during emission events, and (ii) negligible effect of the turbulence induced
by the vegetation on the PSD of the net emitted dust flux.
Our 3D erosion model appears as a promising tool for characterizing dust emissions over heterogeneous
surfaces typical of semi-arid regions and for deriving dust emission schemes for climate models as a function
of surface roughness properties.