Introduction

1.1. Intérêt de l’étude des archives glaciaires du col du Dôme ... - 59 - 1.2. Datation de la carotte de glace ... - 61 - 2. Evolution générale de la concentration en HULISWS ...- 63 -

2.1. Evolution de la concentration en HULISWS au cours du XXème siècle ... - 63 - 2.2. Evolution saisonnière de la concentration en HULISWS ... - 64 -

2.2.1. Evolution saisonnière de la concentration en HULISWS dans la carotte de glace 64

-2.2.2. Données complémentaires, réanalyse de filtres CARBOSOL ... 66

-2.2.3. Transfert air/neige ... 68

-3. Evolution des HULISWS pour l’hiver ...- 69 -

3.1. Evolution de la concentration en hiver ... - 69 - 3.2. Evolution des sources des HULISWS en hiver ... - 71 -

3.2.1. Les sources des HULISWS en hiver ... 71

-3.2.2. Evolution des sources des HULISWS en hiver au cours du XXème siècle ... 72

-3.3. Synthèse de l’évolution des HULISWS pour l’hiver ... - 74 - 4. Evolution des HULISWS pour l’été _{...- 75 -} 4.1. Evolution de la concentration des HULISWS en été ... - 75 - 4.2. Les sources des HULISWS en été ... - 77 -

4.2.1. Les sources des HULISWS en été rappel ... 77

-4.2.2. Données complémentaires, campagne de terrain du PuydeDôme ... 78

-4.2.3. Les sources des HULISWS en été dans la carotte de glace ... 80

-4.3. Evolution des sources des HULISWS en été au cours du XXème siècle ... - 81 -

4.3.1. Evolution des émissions de BVOCs depuis 1950 ... 81

-4.3.2. Cas particulier de l’isoprène ... - 84 -

4.3.3. Autres dépendances de l’évolution des sources des HULISWS en été ... 86

-4.4. Synthèse de l’évolution des HULISWS en été ... - 88 - 5. Anomalie des HULISWS pendant la seconde guerre mondiale ...- 88 -

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1. Introduction

1.1. Intérêt de l’étude des archives glaciaires du col du Dôme

L’intérêt de l’étude des archives naturelles telles que les sédiments, les coraux, les cernes d’arbres ou la glace dans la compréhension de notre environnement passé n’est plus à démontrer. Parmi ces archives, les carottes de glace occupent une place à part en enregistrant la plus large panoplie d’informations sur le climat et la composition chimique de l’atmosphère passée. L’étude de ces archives glaciaires est motivée par l’absence de données sur la composition atmosphérique avant que celle-ci soit perturbée par les activités humaines. Les premières mesures de gaz à effet de serre ont ainsi débuté en 1957 pour le dioxyde de carbone, en 1978 pour le protoxyde d’azote et en 1983 pour le méthane. Cette connaissance de l’atmosphère passée est nécessaire pour comprendre et prédire les futures réponses de celle-ci face à l’anthropisation.

Excepté en Océanie, les archives glaciaires sont étudiées sur tous les continents. Les calottes polaires du Groenland ou de l’Antarctique ont permis d’étudier l’évolution climatique sur de grandes échelles de temps, en particulier de discerner l’impact des variations d’insolation décrites par la théorie de Milankovitch sur le climat. Concernant la composition chimique de notre atmosphère, certains paramètres enregistrés dans la glace ont un caractère global voir hémisphérique, c’est le cas notamment du gaz carbonique ou du méthane. Par contre les espèces atmosphériques ayant un court temps de vie dans l’atmosphère, comme l’aérosol, nécessitent une bonne connaissance du transport atmosphérique entre les régions sources et les pôles. Ainsi l'étude des aérosols dans la glace du Groenland et l'interprétation en en termes d’évolution des sources anthropiques nécessitent de bien appréhender le transport des polluants entre les continents très industrialisés (USA et Eurasie) et le bassin Arctique. Cette difficulté motive les études d’archives glaciaires de sites plus proches des sources d’émissions anthropiques tels que les Alpes du Nord en Europe.

Les glaciers alpins présentant des conditions adéquates (températures empêchant toute fonte nivale) à l’enregistrement de données environnementales sont situés au-dessus de 4000 mètres d’altitude et sont restreints à de petites surfaces en zones sommitales. La faible surface ainsi que la topographie du bedrock font que l’enregistrement glaciaire peut être fortement perturbé par son écoulement. L’accumulation de neige de ces sites est principalement contrôlée par l’érosion éolienne, ceci favorisant généralement l’accumulation en été par rapport à l’hiver [Preunkert et al., 2000]. A ces altitudes en hiver, les teneurs en impuretés sont très faibles en raison du transport vertical depuis les basses couches de l’atmosphère [Preunkert and Wagenbach, 1998]. Au contraire en été, le transport convectif entraîne les masses d’air depuis la couche limite jusqu'à la troposphère libre. Les signaux archivés dans les glaciers alpins sont donc fortement affectés par les cycles saisonniers.

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Parmi les sites dans les Alpes du nord présentant des conditions de température adéquates, le site du col du Dôme (4250 m d’altitude, massif du Mont-Blanc, France) a été retenu car les enregistrements saisonniers sont bien conservés jusque dans les années 1920 [Preunkert et al., 2000]. Le potentiel des archives glaciaires du col du Dôme pour contraindre les inventaires passés de polluants en Europe a été testé avec succès pour une espèce bien documentée : le sulfate [Preunkert et al., 2001]. De plus, durant le projet Européen CARBOSOL [Legrand and Puxbaum, 2007c], l’utilisation du modèle régional de chimie transport EMEP a montré qu’en été, les pays limitrophes de l’arc Alpin (France, Italie, Espagne et Allemagne) contribuent à 50-70% du signal archivé dans la glace du Mont-Blanc [Fagerli et al., 2007]. En hiver cette contribution diminue au dépend de la contribution de sources sur une zone géographique plus large (toute l’Europe, les Etats-Unis). Les concentrations atmosphériques passées de sulfate sur le Mont-Blanc ont également été simulées sur la base des inventaires d'émissions de SO₂ anthropique puis comparées avec celles mesurées dans la glace. Un excellent accord apparait entre la simulation et les tendances observées dans la glace [Fagerli et al., 2007] démontrant bien l'aptitude de ces archives à reconstituer l'histoire de la pollution particulaire à l'échelle de l'Europe.

Afin d'utiliser ces archives pour mieux contraindre le budget présent et passé de fractions mal connues de l'aérosol atmosphérique que constitue l'aérosol organique une toute première étude de certaines fractions organiques (DOC, WinOC et EC) a été initiée [Legrand

et al., 2007b]. De manière générale, les études réalisées dans le cadre du projet CARBOSOL

suggèrent qu’une part importante de l’aérosol organique présent dans la basse et moyenne troposphère Européenne est d’origine secondaire pour la période actuelle, comme pour le passé. Une compréhension approfondie de la formation de cette fraction de l’aérosol est cruciale pour l’évaluation de l’effet radiatif global (organique et inorganique) de l’aérosol et son impact passé et futur sur le climat en Europe. La plupart des modèles actuels sous-estiment systématiquement l’aérosol organique secondaire (SOA) [Simpson et al., 2007] vraisemblablement à cause de paramétrisations empiriques incorrectes. Pour progresser sur ce problème des études visant les processus de formation de SOA sont nécessaires. Vis-à-vis de l’aspect climatique, la tendance passée des teneurs en SOA que suggèrent les études dans la glace du Mont-Blanc [Legrand et al., 2007b] demandait à être explorée de façon plus approfondie.

Dans ce contexte un projet intitulé « Secondary organic aerosol production in the lower free troposphere over western Europe » a été lancé (2009-2012). Il rassemble des chercheurs du LGGE et LaMP côté français, de l’IUP Heidelberg et de l’institut de Géophysique de l’université de Hambourg côté allemand. Le projet vise à (1) comprendre les processus de nucléation/condensation pour lesquels les données sont rares et évaluer l’importance relative de ces processus pour la formation de SOA à différentes altitudes, (2) approfondir la tendance à long terme de SOA préservée dans la glace du Mont-Blanc et en déterminer la cause précise. C'est dans ce cadre que s'est déroulé mon travail de thèse sur une carotte de glace extraite au Mont-Blanc sur laquelle j'ai effectué l'étude des HULIS. J'ai également participé dans le cadre de ce projet à une campagne de collecte et mesure atmosphérique au Puy-de-Dôme en Juin 2010. Comme nous le verrons plus loin cette

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campagne qui visait les événements de nucléation d'aérosols a été par ailleurs fort utile pour notre connaissance des HULIS en été en Europe.

1.2. Datation de la carotte de glace

Une carotte de glace de 124 mètres a été utilisée pour cette étude (notation CDK), elle a été forée en 2004 dans le cadre du projet CARBOSOL au col du Dôme. Le col du Dôme est un site où plusieurs carottes de glace ont déjà été forées. La carotte CDK a été extraite près du trou de forage d’une autre carotte (C10, 126 mètres de long, forée en 1994). La carotte C10 a été datée avec une précision de ± 5 ans pour la période 1920-1994 [Preunkert et al., 2000] et a permis l'étude des tendances à long terme d’espèces atmosphériques telles que le sulfate [Preunkert et al., 2001] et le nitrate [Preunkert et al., 2003]. Comme pour la carotte C10 la datation de la carotte CDK a été effectuée en comptant les couches annuelles le long de l’enregistrement du signal en ammonium (espèce fortement affectée par la saisonnalité) et en comparant la stratigraphie des ions majeurs avec la carotte C10. Depuis la surface et jusqu’à une profondeur de 65.5 mètres équivalents en eau (m.w.e), l’épaisseur des couches annuelles de la carotte CDK est divisée par 3, comme cela est observée pour la carotte C10 (Figure 26). Pour la partie haute les mesures de sulfate et nitrate sont en accord pour les deux carottes [Legrand et al., 2012, soumis].

Cependant entre 65 et 67.5 m.e.w le cycle saisonnier du signal d’ammonium disparaît. A 68 m.e.w, la signature saisonnière du signal en ammonium est de nouveau présente et ce jusqu’en bas de la carotte (91.5 m.e.w). Les concentrations en sulfate et nitrate estivales à cette profondeur sont de nouveau en accord entre la carotte CDK et C10 et correspondent aux années 1950-1955. Afin de confirmer cette datation, le tritium a été mesuré. En effet les mesures de tritium sont couramment utilisées dans les carottes de glace pour identifier l’année 1963 correspondant aux essais nucléaires atmosphériques. La glace de CDK sous la profondeur 67.5 m.e.w ne contient que 1 TU de tritium, confirmant que ce dépôt date d’avant 1954 (Figure 26). Entre 65.5 et 68 m.e.w, les niveaux en tritium sont de 30 TU ce qui signifie que ces couches sont plus jeunes que 1954 et plus vieilles que 1970 (Figure 26). Ces valeurs montrent aussi l’absence du pic de concentration maximum de 1963 dans la carotte CDK. Pour ces profondeurs, on s’attend à des épaisseurs annuelles de 0.7 m.e.w (comme pour C10) à la place des 0.17 m.e.w trouvés pour CDK et correspondant à 15 ans en seulement 2,5 m.e.w. Il y a donc clairement une perte d’accumulation de neige pour la période 1954-1970.

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Figure 26 : Datation de la carotte de glace CDK : (a) épaisseur des différentes couches annuelles estimée depuis le profil d’ammonium le long de CDK et comparaison avec C10, (b) comparaison des tendances en sulfate en été pour les deux carottes, les courbes en traits fins représentent les moyennes annuelles et celles en traits gras le profil lissé à 5 ans, idem pour (c) le nitrate, en (d) sont tracées les mesures de tritium sur la carotte CDK et les comparaisons avec les mesures dans des échantillons de pluie à Ottawa et d’une carotte de glace du glacier Fischerhorn (en Suisse). Les valeurs de tritium sont converties pour l’année 2009 au regard du temps de demi- vie du tritium (T1/2 = 12.32 ans), adapté de [Legrand et al., 2012, soumis].

Nos mesures des HULISWS ont été effectuées sur la carotte CDK pour les périodes où elle est bien datée (1920-1955 et 1970-1988). La période 1955-1970 n’étant pas bien préservée dans CDK, elle sera étudiée sur des morceaux de la carotte C11 (140 mètres de long), forée 50 mètres à coté de C10 en 1994. Cette carotte C11 présente une saisonnalité bien préservée entre 1925 et 1994 et son contenu a été étudié par Legrand et al. [2007b] sur certaines fractions organiques. La majorité des mesures d’HULISWS on été effectuées sur la carotte CDK en procédant à une sélection saisonnière sur la base du signal en ammonium (220 échantillons pour CDK et 30 échantillons pour C10). Par ailleurs, outre la mesure des ions majeurs qui, comme discuté précédemment, ont été utilisés pour dater la carotte, [Legrand et al., 2012, soumis] ont effectués la mesure du carbone organique dissout (DOC) en utilisant la mesure bas niveau mis au point par Preunkert et al. [2011]. Enfin comme dans l’étude de Legrand et al. [2007b], la mesure des mono et diacides organiques a été réalisée [Legrand et al., 2012, soumis].

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