Wind erosion in presence of sparse vegetation

Abstract

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 mm). 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.