(English) Atmospheric mineral dust is composed of a variety of mineral particles exhibiting distinct composition, shape, and size. The wide range of diameters exhibited by dust particles, spanning more than three orders of magnitude, partly determines their effects within the Earth System. This PhD thesis focuses on dust emission, and especially on the emitted dust particle size distribution (PSD) and its variability. It has been conducted within the context of the ERC project \u201cFRontiers in dus t minerAloGical coMpos ition and its Effects upoN climaTe\u201d (FRAGMENT), which aims to understand global dus t compos ition and its climate effects. Dust is generated through saltation bombardment and aggregate disintegration, and less efectively by aerodynamic entrainment. Constraining its PSD at emission is crucial as it strongly affects the impacts, lifetime, and global distribution of dust. However, our understanding of the emitted dust PSD, including its potential variability, its underlying causes, and the fraction of particles with diameter >10\u03bcm, remains limited. This thesis provides new insights into the emitted dust PSD and its variability based on meteorological, saltation and size - resolved dust concentration measurements conducted during the FRAGMENT campaign in the Moroccan Sahara in September 2019. Saltation and dust emission occurred regularly at this location, although sandblasting efficiency was lower compared to previous studies, probably due to the paved sediment surface. During the campaign two types of dust events were identified: regular events associated with diurnal wind cycles caused by solar heating, and haboobs, intense dust storms formed by convective downdrafts. The obtained dust concentration and diffusive flux PSDs show statistically significant dependencies upon friction velocity (u*), wind direction, and type of event. Notably, diffusive flux PSDs shift towards finer particles with increasing u*. In this thesis, this feature has been attributed to a large extent to the effect of dry d eposition, which is modulated by the wind-direction-dependent fetch length, and u*. However, an enhanced fragmentation of aggregates with u* may also play a smaller role. The dry deposition flux was estimated using a resistance model constrained with field observations, which was then used to estimate the emitted dust flux. It has been shown that the deposition flux could represent up to \u02dc 90% of the emitted dust flux for particles >10\u03bcm in diameter and up to \u02dc 65% for particles as small as \u02dc 5\u03bcm. These results imply that the emitted dust PSD is coarser and less variable than the diffusive flux PSD. As far as I know, this is the first time that the effect of dry deposition upon the diffusive fluxes is identified and quantified experimentally, supporting recent results based on numerica l modelling. This finding has implications for the evaluation of dust emission schemes and their implementation in transport models as the typical assumption that the diffusive and the emitted dust PSDs are equivalent could be invalidated. Another remarkable feature is the difference in PSDs between haboob and regular events. Haboob PSDs show lower proportions of sub-micrometre particles for equivalent or higher u* intervals, along with more dry deposition and variability in dust mass fractions with diameters >3\u03bcm. The mechanisms proposed to explain this variability include a smaller and variable effective fetch during the haboob events, and/or an increased resistance of soil aggregates to fragmentation associated with the observed increase in relative humidity along the haboob outflow. Finally, compared to the invariant emitted dust flux PSD predicted by Brittle Fragmentation Theory, our dust flux shows a substantially higher proportion of super-micrometre particles. Overall, these results highlight the need to adequately consider dry deposition when estimating the emitted PSD from concentration measurements, even in studies limited to size ranges <10
(Catal\u00e0) La pols atmosf\u00e8rica est\u00e0 composta per part\u00edcules minerals de diversa composici\u00f3, forma i mida. L\u2019\u00e0mplia gamma de di\u00e0metres de les part\u00edcules de pols, determina en part els seus efectes en el Sistema Terra. Aquesta tesi es centra en l'emissi\u00f3 de pols i, m\u00e9s concretament, en la distribuci\u00f3 de tamanys de les part\u00edcules emes es (\u201cPSD\u201d) i la seva variabilitat. S'ha realitzat dins del projecte ERC FRAGMENT, que busca comprendre millor la composici \u00f3 global de la pols i els seus efectes en el clima. La pols es genera a trav\u00e9s del bombardeig per saltaci\u00f3, la desintegraci\u00f3 d'agregats i, en menor mesura, mitjan\u00e7ant l'arrossegament aerodin\u00e0mic. Determinar la PSD de la pols en emissi\u00f3 \u00e9s crucial, ja que afecta els seus impactes, temps de vida i distribuci\u00f3 global. No obstant aix\u00f2, la nostra comprensi\u00f3 de la PSD de la pols emesa, incloent-hi la seva possible variabilitat, les causes subjacents i la fracci\u00f3 de pols amb di\u00e0metre >10\u03bcm \u00e9s limitada. Aquesta tesi ofereix noves perspectives sobre la PSD de la pols emesa i la seva variabilitat a partir de les observacions meteorol\u00f2giques i mesures de concentraci\u00f3 de pols i de saltaci\u00f3 d'una campanya de FRAGMENT a Marroc el 2019. La saltaci\u00f3 i l'emissi\u00f3 de pols van ser freq\u00fcents al lloc triat, tot i que l'efici\u00e8ncia de saltaci\u00f3 va ser inferior a altres estudis, probablement a causa del sediment compactat de la superf\u00edcie. Durant la campanya es van identificar dos tipus d'esdeveniments de pols: els regulars, associats al cicle diari del vent causat per l'escalfament solar, i els haboobs, formats per corrents descendents d'aire en esdeveniments convectius. Les PSDs de la concentraci\u00f3 i el flux difusi\u00fa mostren depend\u00e8ncies estad\u00edsticament significatives en funci\u00f3 de la velocitat de fricci\u00f3 (u*), la direcci\u00f3 del vent, i el tipus d'esdeveniment. En particular, s'observa un despla\u00e7ament cap a PSDs m\u00e9s fines en el flux difusiu a mesura que augmenta la u*, atribu\u00eft principalment a l'efecte de la deposici\u00f3 seca, modulada per l'extensi\u00f3 de la font (\u201cfetch\u201d) i la u*. No obstant aix\u00f2, una major fragmentaci\u00f3 d'agregats a mesura que augmenta la u* podria tamb\u00e9 jugar un paper secundari. El flux de deposici\u00f3 seca es va estimar mitjan\u00e7ant un model de res is t\u00e8ncies calibrat amb observacions i, a partir d'aquest, s'ha estimat tamb\u00e9 el flux de pols emesa. S'ha demostrat que la deposici\u00f3 podria representar fins a un \u02dc 90% del flux em\u00e8s per a part\u00edcules amb di\u00e0metres >10\u03bcm i fins a \u02dc 65% per a part\u00edcules \u02dc 5\u03bcm. Aix\u00f2 implica que la PSD de la pols emesa \u00e9s m\u00e9s gruixuda i menys variable que la PSD del flux difusiu. Aquesta \u00e9s la primera vegada que s'identifica i quantifica experimentalment l'efecte de la deposici\u00f3 seca en els fluxos difusius, recolzant resultats recents obtinguts amb modelitzaci\u00f3 num\u00e8rica. Aquest descobriment t\u00e9 implicacions en l'avaluaci\u00f3 dels esquemes d'emissi\u00f3 de pols i la seva implementaci\u00f3 en els models de transport de pols, ja que l'assumpci\u00f3 t\u00edpica que les PSD del flux difusi\u00fa i em\u00e8s s\u00f3n equivalents podria no ser v\u00e0lida. Una altra caracter\u00edstica destacable s\u00f3n les difer\u00e8ncies de PSD entre els esdeveniments regulars i els haboobs. Els haboobs mostren una menor proporci\u00f3 de part\u00edcules submicr\u00f2niques per a intervals de u* iguals o majors, i una major deposici\u00f3 seca i variabilitat en les fraccions de massa >3\u03bcm. Els mecanismes proposats per explicar aquesta variabilitat inclouen un \u201cfetch\u201d efectiu m\u00e9s petit i variable durant els haboobs, i/o una major resist\u00e8ncia dels agregats del s\u00f2l a la fragmentaci\u00f3, associada a l'augment observat en la humitat relativa al llarg del flux de sortida del haboob. En comparaci\u00f3 amb la PSD del flux de pols em\u00e8s que proposa la teoria de fragmentaci\u00f3 de materials fr\u00e0gils, els nostres resultats del flux de pols mostren una proporci\u00f3 substancialment m\u00e9s gran de part\u00edcules supermicr\u00f2niques. Aquests resultats indiquen que la depos ici\u00f3 s eca ha de s er cons iderada adequadament per a es timar la PSD emes a, fins i tot en estudis limitats a rangs de tamany <10\u03bcm.
(Espa\u00f1ol) El polvo atmosf\u00e9rico se compone de part\u00edculas minerales con una composici\u00f3n, forma y tama\u00f1o distintos. El amplio rango de di\u00e1metros de las part\u00edculas de polvo determina en parte sus efectos en el Sistema Tierra. Esta tesis se centra en la emisi\u00f3n de polvo, especialmente en la distribuci\u00f3n de tama\u00f1os de las part\u00edculas emitidas ('PSD') y en su variabilidad. Se ha llevado a cabo en el marco del proyecto ERC FRAGMENT, que busca comprender mejor la composici \u00f3n global del polvo y sus efectos en el clima. El polvo se genera a trav\u00e9s del bombardeo por saltaci\u00f3n, la desintegraci\u00f3n de agregados y, en menor medida, el arrastre aerodin\u00e1mico. Determinar la PSD del polvo en emisi\u00f3n es crucial, ya que afecta a sus impactos, tiempo de vida y distribuci\u00f3n global. Sin embargo, nuestra comprensi \u00f3n de la PSD del polvo emitido, incluyendo su posible variabilidad, las causas subyacentes y la fracci \u00f3n de polvo con di\u00e1metro >10\u03bcm es limitada. Esta tesis ofrece nuevas perspectivas sobre la PSD del polvo emitido y su variabilidad a partir de las observaciones meteorol\u00f3gicas y medidas de concentraci\u00f3n de polvo y saltaci\u00f3n de una campa\u00f1a de FRAGMENT en Marruecos en 2019. La saltaci\u00f3n y emisi\u00f3n de polvo fueron frecuentes en el sitio elegido, aunque la eficiencia de saltaci \u00f3n fue menor que en otros estudios, probablemente por el sedimento compactado que cubr\u00eda la superficie. Durante la campa\u00f1a hubo dos tipos de eventos de polvo: regulares, asociados al ciclo diario del viento causado por el calentamiento solar, y haboobs, formados por las corrientes descendentes de aire en eventos convectivos. Las PSDs de la concentraci \u00f3n y el flujo difusivo muestran dependencias estadisticamente significativas con la velocidad de fricci \u00f3n (u*), la direcci\u00f3n del viento, y el tipo de evento. En particular, se observa un desplazamiento hacia PSDs m\u00e1s finas en el flujo difusivo a medida que aumenta la u*, que se ha atribuido en gran medida al efecto de la deposici\u00f3n seca, modulada por la extensi\u00f3n de la fuente de polvo ('fetch'), y la u*. No obstante, una mayor fragmentaci\u00f3n de agregados a medida que aumenta la u* podr\u00eda desempe\u00f1ar tambi\u00e9n un papel secundario. El flujo de deposici\u00f3n seca se estim\u00f3 mediante un modelo calibrado con observaciones, a partir del cual se estim\u00f3 tambi\u00e9n el flujo de polvo emitido. Se ha visto que la deposici \u00f3n podr\u00eda representar hasta un \u02dc 90% del flujo emitido para part\u00edculas con di\u00e1metros >10\u03bcm y hasta \u02dc 65% para part\u00edculas \u02dc 5\u03bcm. Esto implica que la PSD del polvo emitido es m\u00e1s gruesa y menos variable que la PSD del flujo difusivo. \u00c9sta es la primera vez que se identifica y cuantifica experimentalmente el efecto de la deposici\u00f3n seca en los flujos difusivos, respaldando resultados recientes obtenidos con modelizaci \u00f3n num\u00e9rica. Este hallazgo tiene implicaciones en la evaluaci \u00f3n de los esquemas de emisi\u00f3n de polvo y su implementaci\u00f3n en los modelos de transporte ya que la t\u00edpica suposici\u00f3n de que las PSDs del flujo difusivo y emitido son equivalentes podr\u00eda no ser v\u00e1lida. Otro hallazgo destacado son las diferencias entre las PSDs de los eventos regulares y los haboobs. Los haboobs muestran una menor proporci\u00f3n de part\u00edculas submicr\u00f3nicas para intervalos de u* iguales o mayores, y una mayor deposici \u00f3n y variabilidad en la fracci\u00f3n de masa >3\u03bcm. Los mecanismos propues tos para explicar es ta variabilidad incluyen un \u201cfetch\u201d efectivo m\u00e1s peque\u00f1o y variable durante los eventos de haboob, y/o una mayor resistencia de los agregados del suelo a la fragmentaci\u00f3n, asociada a una mayor humedad relativa a lo largo del flujo de salida del haboob. En comparaci\u00f3n con la PSD del flujo de polvo propuesta por la teor\u00eda de fragmentaci\u00f3n de materiales fr\u00e1giles, nuestros resultados del flujo de polvo muestran una proporci \u00f3n sustancialmente mayor de part\u00edculas supermicr\u00f3nicas. Estos hallazgos indican que la deposici\u00f3n seca debe ser considerada adecuadamente al estimar la PSD emitida, incluso en estudios limitados a rangos de tama\u00f1o <10\u03bcm.