Simulation numérique de l’évolution d’une traînée de condensation et de son interaction avec la turbulence atmosphérique.

Due to the rapid growth of commercial air traffic started in the 90’s, the environmental impact of aircraft emissions has become now a topic of academic research and practical interest in the community of atmospheric chemistry modelers. The incorporation of these emissions into climate models is a difficult task because of the complex physical and chemical transformations occurring in the plume of the aircraft, and the large range of scales involved. The objective of this thesis is two-fold : the first one is to contribute to the elaboration of a new parameterization that models the effect of non-linear aircraft plume NOx chemistry on atmospheric ozone. The second objective is to evaluate the distribution of ice particles within the contrails in order to quantify their radiative impact. To this end, we developed a numerical model of the dynamical and microphysical processes of a generic contrail, from its early phase of formation up to its interaction with the atmosphere. It is based on the MesoNH model coupled with a specific microphysical module. Afterwards, we analyzed in detail the vortex regime up to 340 s after emission time, and performed the first simulation to date of the following diffusion regime where the plume interacts with atmospheric turbulence. In the first vortex regime, the model reproduces the main features of the wake dynamics (such as formation of vorticity ring, linear growth of the short and long wavelength instabilities, formation of a secondary wake induced by the baroclinic torque) and an evolution of the ice particle distribution in good agreement with the measurements obtained for young contrail. In the diffusion regime, we force the model simulation with a synthetic sustained turbulent flow that mimics the real atmospheric turbulence at the tropopause level. The contrail simulation was run up to 30 min, and the results are in good agreement with the available experimental data, which validates, a posteriori, the simulation strategy adopted through this work. Finally, it is concluded that our model is suitable to evaluate in the future the impacts of aircraft emission on the atmospheric chemistry and radiative balance.Depuis les années90 , au vu de l'augmentation continuelle du transport commercial aérien,le problème de son impact sur le climat est devenu un sujet de recherche important. Lesémissions d'un avion ne peuvent pas être prises en compte simplement dans un modèle degrande échelle, car elles subissent des transformations physicochimiques suite aux fortesinteractions avec la dynamique du sillage induit par l'avion. L'utilisation de paramétrisa-tions est donc nécessaire, et leur développement représente un réel challenge quant à lamultitude des échelles mises en jeu.L'objectif de ce travail est double. Il s'agit, d'une part, de participer au développementd'une nouvelle paramétrisation qui prend en compte l'eet de réservoir induit par le sillagesur la chimie des NO xet les non-linéarités de la chimie de l'ozone. D'autre part, il s'agitégalement d'évaluer les paramètres de granulométrie des particules de glace dans le sillageen vue d'en calculer l'impact radiatif.A cette n, nous avons mis au point un modèle numérique capable de résoudre l'évolutionde la traînée de condensation (i.e.contrail) formée derrière un avion depuis sa phase deformation jusqu'au régime d'interaction avec l'atmosphère en s'intéressant au couplagedynamique-microphysique. Ce modèle combine le modèle MesoNHavec un schéma mi-crophysique spécique à notre problème. Nous avons ainsi mené une étude détaillée dela phase de vortex de l'évolution d'un contrail, et réalisé une première simulation de laphase d'interaction avec l'atmosphère (régime de diusion), où le forçage par la turbulenceatmosphérique prédomine. Sur le régime de vortex ( tcipales caractéristiques dynamiques du sillage (i.e.≤ 340 s ), nous avons résolu les prin-formation des anneaux de vorticité,développement linéaire des instabilités de courte et grande longueur d'onde, formationd'un second sillage par le torque barocline) et trouvé un comportement des particules deglace proche du celui donné par les mesures eectuées sur de jeunes contrails. Ensuite,pour la phase de diusion, la modélisation d'une atmosphère turbulente soutenue nous apermis de simuler un contrail âgé de30 mindont les caractéristiques sont en bon accordavec les mesures expérimentales disponibles. Les résultats obtenus, notamment dans laphase de diusion, sont originaux et confortent la méthodologie mise en oeuvre.En conclusion, le modèle que nous avons mis au point montre donc un comportementtrès satisfaisant, et ouvre des perspectives très intéressantes pour évaluer l'impact desémissions d'un avion sur la chimie atmosphérique et le bilan radiatif