Une campagne de mesures en Alaska pour faire la lumière sur les aérosols arctiques en hiver

Les sources et la formation des aérosols secondaires (sulfate, nitrate, organiques) dans les conditions froides et sombres de l’Arctique en hiver et au début du printemps sont à ce jour mal comprises. De plus, des incertitudes subsistent quant au rôle de la dynamique de la couche limite arctique qui piège les particules et les précurseurs gazeux près de la surface lorsque les conditions sont stables. Ces lacunes dans nos connaissances nous empêchent de simuler correctement les aérosols de fond qui forment l’« Arctic Haze », ou « brume arctique », en hiver et au début du printemps, ainsi que ceux produits par les émissions anthropiques locales telles que la combustion de bois et de combustibles fossiles.

Pour s’attaquer à ces problèmes, une importante campagne internationale de mesures s’est déroulée à Fairbanks, en Alaska, pendant les mois de janvier et février 2022. Située aux portes du cercle arctique, cette ville d’une centaine de milliers habitants est soumise à une très mauvaise qualité de l’air en hiver. Les fortes émissions locales de polluants (liées en autre à la combustion de charbon, de bois et de fioul, et au trafic routier), couplées à une mauvaise dispersion causée par de fortes inversions de température, engendrent des concentrations très élevées de particules, bien au-dessus des seuils sanitaires de qualité de l’air. Fairbanks est donc un site idéal pour l’étude de la chimie atmosphérique polaire en hiver, notamment la transformation des précurseurs gazeux en aérosols secondaires à basse température, l’influence de la météorologie sur cette chimie, et l’impact de ces particules sur la composition atmosphérique et le climat en région arctique.

La campagne de mesures s’est organisée au sein du projet ALPACA (Alaskan Layered Pollution and Chemical Analysis ; http://alpaca.community.uaf.edu/) coordonné par l’Université d’Alaska Fairbanks (UAF). ALPACA a été développé dans le cadre de l’initiative internationale IGAC/IASC PACES (Air Pollution in the Arctic : Climate, Environment and Societies ; https://pacesproject.org/) pour traiter des questions clés sur les processus régissant la formation, la composition et la distribution des aérosols en Arctique (provenant de sources locales et éloignées). Durant deux mois, une quarantaine de chercheurs provenant des États-Unis, de Suisse, d’Italie et de France (projet CASPA-ALPACA : LATMOS, IGE, LCE, LAERO, LPC2E, ISTeP et LPCA) se sont regroupés à Fairbanks afin de réaliser des mesures au sol (fixes et mobiles) ainsi que des profils verticaux, à l’intérieur et à l’extérieur de la ville. Grâce à la grande variété des mesures réalisées, de multiples aspects de la chimie et de la physique atmosphérique ont pu être abordés. En parallèle des mesures en extérieur, une étude sur la composition de l’air à l’intérieur d’une maison en zone résidentielle a également été réalisée afin de mesurer la sensibilité de la qualité de l’air aux activités en intérieur, notamment le type de chauffage utilisé et les échanges avec l’air extérieur. En plus des mesures de terrain et de laboratoire, des outils de modélisation ont fourni des prévisions de traceurs de la pollution, notamment de celle provenant des panaches des centrales à charbon. Ces prévisions ont pu être comparées avec les mesures en temps réel. Des études de modélisation seront également menées pour l’analyse des données et l’évaluation des effets sanitaires. Les organismes de contrôle de la pollution atmosphérique, des acteurs locaux et les populations locales ont été impliqués durant toute la campagne avec à terme l’idée de développer conjointement des solutions pour améliorer la qualité de l’air à Fairbanks (https://fairair.community.uaf.edu/).

Au cours de cette campagne, l’IGE, en collaboration étroite avec le LATMOS, a réalisé la collecte d’échantillons de gaz, d’aérosols et de neige, afin de comprendre comment les émissions de dioxyde d’azote (NOx) sont oxydées en nitrate atmosphérique. Des échantillonnages intensifs ont été réalisés sur le super site du centre-ville, en parallèle d’autres sites autour de Fairbanks, notamment celui de Poker Flat, site isolé à une cinquantaine de kilomètres au nord afin d’étudier l’« Arctic Haze ». Une fois rapatriés au sein des laboratoires de l’IGE, ces échantillons seront soumis à des analyses isotopiques. Cette approche singulière permettra d’identifier les sources majoritaires des émissions des gaz précurseurs et de contraindre les processus chimiques de conversion en particules.

La campagne a été menée avec le soutien de l’ANR CASPA (Climate-relevant Aerosol Sources and Processes in the Arctic, 2021-2025) et du projet ALPACA (2019-2022) de l’Institut polaire français Paul-Emile Victor (IPEV). Elle a également bénéficié du soutien du Centre national français de la recherche scientifique (CNRS), notamment du programme LEFE (Les Enveloppes Fluides et l’Environnement) (pré-campagne ALPACA) et de l’UAF.

Participants CASPA :

LATMOS : Kathy Law, Natalie Brett, Sarah Albertin (et IGE), Slimane Bekki, Jean-Christophe Raut, Francois Ravetta, Richard Wilson, Cristelle Gailteau-Fischbach, Tatsuo Onishi
IGE  : Joel Savarino, Nicolas Caillon
LCE : Barbara D’Anna, Brice Temime-Roussel
LAERO : Brice Barret, Emmanuel Leclerc, Patrice Medina
LPC2E : Tjarda Roberts
ISTeP : Erwan Martin
LPCA : Elsa Dieudonné, Hervé Delbarre

Groupes en collaboration :
U. Alaska Fairbanks pour un soutien logistique local considérable et le déploiement des mesures (Bill Simpson, Jingqiu Mao, Javier Fochesatto), EPFL/Switzerland et CNR/Bologna : profils verticaux par ballon
FMI/Helsinki : mesures météorologiques, de CO2 et de particules
EPA-ADEC : prévisions météo/modélisation WRF

Auteur : Sarah Albertin - 21/04/2022