Une couche superficielle arctique réactive ? Le lien chimique entre la neige et l’atmosphère

Crédit image slider : Didier Voisin

La nature et les conditions éloignées de l’Arctique rendent difficile l’observation régulière des espèces chimiques dans l’atmosphère. Les stations d’observation et les campagnes de mesure sont donc extrêmement précieuses et permettent de mieux comprendre la composition chimique et les processus qui se produisent dans l’atmosphère arctique. Les mesures d’espèces chimiques telles que l’ozone, le mercure, le chlore et le brome dans l’Arctique sont d’un grand intérêt scientifique car elles sont impliquées dans des "événements d’appauvrissement" chaque année au printemps. Ces événements font référence à la destruction chimique de l’ozone et du mercure à la surface jusqu’à des concentrations très faibles par rapport aux niveaux de fond. Malgré nos connaissances actuelles sur la chimie atmosphérique de l’Arctique, une grande incertitude entoure encore les processus qui régissent la libération, le transport et le dépôt d’espèces chimiques dans les régions polaires. En particulier, comprendre les liens entre la neige, la glace de mer et les émissions d’halogènes reste un défi, et est crucial pour prédire les impacts potentiels d’un climat arctique changeant sur la chimie atmosphérique polaire.

L’objectif de cette étude était d’examiner comment les émissions d’halogènes provenant de la neige côtière dans l’Arctique influencent la réactivité chimique (par exemple, les concentrations de radicaux libres) dans la couche limite polaire. Pour ce faire, un modèle unidimensionnel de chimie atmosphérique et de transport a été co-développé par des chercheurs de l’IGE et de l’UCLA. Le modèle nouvellement développé (Platform for Atmospheric Chemistry in 1D, PACT-1D) a été utilisé pour étudier le rôle des émissions de neige halogène sur la chimie atmosphérique pendant la campagne OASIS du printemps 2009 à Utqiagvik, Alaska (Figure 1). En utilisant PACT-1D, nous avons pu simuler les observations chimiques de surface de la campagne et montrer l’importance d’inclure les émissions d’halogènes de la neige de surface sur la chimie de la couche limite. En conséquence, nous proposons une approche prometteuse pour inclure les émissions d’halogènes de la neige terrestre dans les modèles 3D régionaux et globaux.

Nos résultats montrent que la majorité du chlore (Cl2) modélisé est confiné dans les 15 m les plus bas de l’atmosphère (figure 2). Le Cl2 est une espèce hautement photolabile, qui se photolyse pour former des radicaux de chlore (Cl) qui sont des oxydants atmosphériques très réactifs. Cela suggère que les 15 m inférieurs de l’atmosphère du printemps polaire sont très réactifs en raison des concentrations élevées de Cl2 et de la chimie d’oxydation du Cl. La couche limite arctique présentera donc de forts gradients verticaux de composition chimique et de réactivité très près de la surface. Ceci a des implications importantes pour les activités d’observation et de modélisation dans les régions polaires. Tout d’abord, les mesures de surface effectuées dans cette couche de surface fortement oxydante ne sont probablement pas représentatives de la chimie qui se produit à quelques mètres en altitude. En outre, des conditions thermiques stables peuvent réduire le mélange atmosphérique des espèces entre la couche d’inversion et la couche supérieure, ce qui donne une structure verticale très hétérogène. Par conséquent, les hypothèses faites sur la chimie de la couche limite polaire, déduite des mesures de surface, doivent soigneusement prendre en compte les impacts de la réactivité chimique élevée et du mélange vertical limité sur le véritable comportement chimique de la couche limite. Deuxièmement, cela représente un défi difficile pour les modèles 3D de capturer une telle variation verticale près de la surface en raison des limitations de la résolution verticale du modèle. La plupart des modèles de chimie atmosphérique n’incluent pas actuellement de descriptions détaillées des émissions de neige terrestre, qui sont nécessaires pour modéliser avec précision la chimie de la couche limite de l’Arctique. Les travaux de l’IGE continueront à examiner comment améliorer la représentation des modèles 3D de la chimie atmosphérique de l’Arctique.

Référence :
Ahmed, S., Thomas, J. L., Tuite, K., Stutz, J., Flocke, F., Orlando, J. J., et al. (2022). The role of snow in controlling halogen chemistry and boundary layer oxidation during Arctic spring : A 1D modeling case study. Journal of Geophysical Research : Atmospheres, 127, e2021JD036140. https://doi.org/10.1029/2021JD036140

Auteur : Shaddy Ahmed, IGE - 10/05/2022

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