Étude expérimentale et numérique de la génération et du transport des aérosols marins à l'interface air-mer pour des vents forts, et conséquences sur les propriétés de la couche limite atmosphérique marine

Sea spray droplets are aqueous phase aerosols generated from the water surface. In the open ocean, they are generated as a result of wind-forced wave breaking and surface-tearing mechanisms. To this day, knowledge of sea spray particles larger than 20 µm radius is sparse. The present thesis aims to improve knowledge of the sea spray generation flux, as well as transport and impacts on the properties of the marine atmospheric boundary layer (MABL). To this end, the effects of wind–wave interactions on the surface sea spray generation flux are investigated during the MATE2019 experiment, conducted at the large wave–wind facility in Luminy (Marseille, France). Scaling analysis shows that the sea spray generation is best correlated with the wave-slope variance for thelarger spume droplets generated by surface tearing. For the smaller jet droplets generated by bubble bursting, the highest correlation is found with a nondimensional number combining the wave-slope variance, the wave age, and a windsea Reynolds number. This resulted in the formulation of two wave-state-dependent sea spray generation functions, each valid for wind speeds 12–20 m s-1 and radii 3–35 µm. Upscaled to the field, the laboratory-derived generation functions are parameterized in the MACMod and MESO-NH numerical models, and validated using field data collected during the thesis in the Bay of Biscay for this purpose. Best model performance is found with the laboratory generation functions. Such results are encouraging for the study of sea spray impacts on the properties of the MABL.Les embruns sont des aérosols en phase aqueuse générés à la surface de l’eau. Au large, ils sont générés par des mécanismes tel que le déferlement et l’écrêtage. Aujourd’hui, la connaissance portant sur les embruns excédant 20 µm de rayon reste limitée. Cette thèse vise à améliorer la compréhension des processus de génération, de transport, et les impacts sur les propriétés de la couche limite atmosphérique marine (CLAM). La campagne MATE2019 est ainsi menée à l’installation air-mer de Luminy (Marseille, France) afin d’étudier le rôle des interactions vague-vent sur la génération. Une analyse d’échelle révèle que la génération d’embruns corrèle le mieux avec la variance de pente de vagues pour les plus grosses gouttelettes ‘spume’ générées par écrêtage. Pour les plus petites gouttelettes ‘jet’ générées par éclatement de bulles, la meilleure corrélation est obtenue avec un nombre adimensionnel combinant la variance de pentes de vagues, l’age de vague, et un nombre de Reynolds adapté aux mers de vent. Il en résulte la formulation de deux fonctions de génération d’embruns dépendantes sur l’état de mer, valides pour des vents de 12–20 m s-1 et des rayons de 3–35 µm. Extrapolées aux conditions in situ, les fonctions de génération issues du laboratoire sont paramétrées dans les modèles numériques MACMod et MESO-NH, à leurs tours validés à l’aide de mesures terrain, dont une nouvelle campagne de mesure effectuée pendant la thèse dans le Golfe de Gascogne. Les meilleures performances de modélisation sont obtenues avec les fonctions de génération issues du laboratoire. Ces résultats permettent de mieux appréhender l’impact des embruns sur la CLAM