Aerosol-vapor-water-cloud interactions in pristine oceanic region

Les régions ultrapropres en termes de contenu en aérosols (« pristines ») présentent un intérêt de premier plan dans l'étude du changement climatique car elles sont grandement épargnées par les pollutions d'origines anthropiques. Caractérisées par des épaisseurs optiques d'aérosols (AOD) inférieures à 0.1, elles sont des indicateurs précieux pour la composante naturelle du climat, laquelle reste toujours mal comprise car masquée par des contributions anthropiques. En raison de ces faibles AOD, les interactions aérosols-nuages peuvent présenter une sensibilité exacerbée : de petites variations de l'AOD ou de la quantité de vapeur d'eau peuvent avoir des conséquences importantes (non linéaires) sur la formation des nuages et leurs propriétés.Le Sud de l'océan Indien, identifié comme région océanique pristine, a fait l'objet d'une campagne de mesures (campagne AEROMARINE) de plusieurs mois visant à collecter des données sur les aérosols marins (propriétés optiques, distribution verticale, ...) et les paramètres thermodynamiques (température, vapeur d'eau, ...) au large des côtes de l'île de La Réunion. L'analyse des données acquises durant cette campagne, notamment les AOD et l'humidité ambiante, permet de mieux comprendre l'évolution de ces paramètres dans un environnement « pristin ».Les résultats obtenus et présentés dans cette thèse ont permis de caractériser la distribution verticale des aérosols naturels (marins). Ces données in-situ sont utiles pour l'élaboration de deux nouveaux modèles qui pourraient aider à mieux comprendre le système aérosols-vapeur d'eau-nuages. Le premier modèle que nous présentons est une modélisation simplifiée, à trois équations (trois degrés de liberté), fondée sur la dynamique de la compétition entre espèces (modèle de type proie-prédateur). Il permet de décrire les propriétés macroscopiques des interactions entre aérosols, vapeur d'eau et nuages chauds, sans considérer toute la complexité du système. Il est confronté à des mesures in-situ, les réanalyses ERA5 ou encore des observations satellites dans différentes situations météorologiques.En outre, nous présentons un second modèle pour l'étude des champs de nuages à méso-échelle. Baptisé IOCIM (Indian Ocean Cloud Ising Model), ce modèle est de type Ising ; il s'appuie sur la physique statistique dont on connaît l'efficacité pour l'étude des comportements collectifs dans la matière condensée.Ultra-clean regions in terms of aerosol content (“pristine”) are of prime interest in the study of climate change because they are largely spared from anthropogenic pollution. Characterized by aerosol optical thicknesses (AOD) lower than 0.1, they are valuable indicators for the natural component of the climate, which is still poorly understood because it is masked by anthropogenic contributions. Due to these weak AODs, aerosol-cloud interactions can present a high sensitivity: small variations in the AOD or the amount of water vapour can have large (non-linear) consequences on the formation of clouds and their properties.The Southern Indian Ocean, identified as a pristine ocean region, was the subject of a field campaign (AEROMARINE campaign) during several months aimed at collecting data on marine aerosols (optical properties, vertical distribution, etc...) and thermodynamic parameters (temperature, water vapour, etc.) off the coast of Reunion Island. The analysis of the data acquired during this campaign, in particular the AOD and the ambient humidity, makes it possible to better understand the evolution of these parameters in a “pristine”environment.The results obtained, and presented in this thesis, have made it possible to characterize the vertical distribution of natural (marine) aerosols. These in-situ data are useful for the development of two new models that could help to better understand the aerosol-water vapour-cloud system. The first model we present is a simplified one, with three equations (three degrees of freedom), based on the dynamics of species competition (prey-predator like model). It makes it possible to describe the macroscopic properties of the interactions between aerosols, water vapour and warm clouds, without considering the whole complexity of the system. It is confronted with in-situ measurements, ERA5 reanalyses or even satellite observations in different meteorological situations.In addition, we present a second model for the study of mesoscale cloud fields. Called IOCIM (Indian Ocean Cloud Ising Model), this model is of the Ising type; it is based on statistical physics, the effectiveness of which is known for the study of collective behavior in condensed matter