Chapitre 2. Les aérosols : Propriétés, processus et observations - focus sur les régions Arctiques de carbone suie, est un enjeu de première importance. En effet, la déposition du carbone suie sur la neige ou la glace réduit considérablement leur albedo et conduit à une augmentation de la quantité d’énergie absorb’ee à la surface, accélérant les processus de fonte de la glace et de la neige (Jacobson, 2004).
2.3 Observations des aérosols
Afin d’observer les propriétés des particules d’aérosols, diverses stratégies d’ob-servations sont utilisées. Ainsi, il est possible d’observer les particules qui sont dans l’environnement direct des instruments, on parlera alors de mesures in-situ, celles-ci pouvant se faire, du point de vue de l’atmosphère, à partir de stations au sol ou de campagnes de mesure aéroportées. Il existe également des instruments capables de mesurer à distance certaines propriétés des particules d’aérosols, le terme de télédé-tection est alors approprié.
2.3.1 Mesures in-situ
Les mesures in-situ sont la base de la recherche atmosphérique. En effet, ces me-sures sont indispensables pour la validation des meme-sures à distance et des modèles. En effet, seule une mesure directe, avec un instrument correctement calibré, permet de connaitre la réelle composition de l’atmosphère à des instants et localisations donnés.
2.3.1.1 Stations au sol
L’importante variabilité spatiale de l’atmosphère fait que de nombreuses stations mesurant ses propriétés ont été installées en diverses localisations de la planète. Ainsi, par exemple, les propriétés de l’atmosphère marine peuvent être analysées (O’Dowd et al.,2010), tout comme celles à moyenne altitude (Venzac et al., 2009), haute altitude (Boulon et al., 2010) et très haute altitude Venzac et al.(2008). Ces stations, souvent situées en des lieux remarquables et difficiles d’accès, regroupent de nombreux instruments qui mesurent les différentes phases composant l’atmosphère et plus particulièrement les gaz et les particules d’aérosols.
On retrouve ce type de station en Arctique et plus particulièrement à Alert et Eureka au Nunavut, Canada (Sirois and Barrie, 1999;Sharma et al., 2002; Farahani et al., 2007), Barrow en Alaska, États-Unis (Quinn et al.,2002), ou Zeppelin au Spitzberg, Norvège (Eleftheriadis et al., 2009). Ces stations, véritables bases avancées de la recherche atmosphérique (entre autre) en Arctique, fournissent des séries de données
2.3. Observations des aérosols 27
sur le long terme et permettent de fournir les tendances des concentrations de fond en gaz et particules sur plusieurs décennies. Dans le cadre d’un changement climatique en Arctique, ces données sont particulièrement précieuses puisqu’elles sont les seules à être mesurées directement et de façon régulière.
2.3.1.2 Campagnes aéroportées
La localisation des stations de mesure en surface peut être inadaptée pour la me-sure de phénomènes ayant lieu à plus haute altitude. L’utilisation de campagnes de mesures aéroportées devient alors primordiale pour mesurer les évolutions et ca-ractéristiques de l’atmosphère arctique. La région Arctique étant particulièrement difficile d’accès, peu de campagnes de mesures y ont été réalisées . Ainsi dans les années 1970, Shaw (1975) a mesuré la distribution verticale des aérosols au dessus de la station de Barrow en Alaska ; dans les années 1980, Schnell (1984) visaient, dans le cadre de la campagne AGASP, à caractériser les propriétés de la brume arc-tique, suivis parBrock et al.(1990),Browell et al.(1992), et Dreiling and Friederich (1997) dans les années 1990. Enfin, dans les années 2000, les campagnes ASTAR 2000 (Yamanouchi et al., 2005) et 2004 (Engvall et al., 2008) ont également permis de contribuer aux connaissances de la brume arctique. Les campagnes aéroportées, au même titre que les stations au sol, sont indispensables à la recherche atmosphé-rique qui peut s’appuyer sur ces mesures directes pour valider et inter-comparer des résultats issus de la modélisation ou de la télédétection.
2.3.2 Télédétection
La télédétection consiste en une mesure indirecte et à distance des propriétés de certains constituants de l’atmosphère. La mesure est effectuée à l’aide d’une onde émise dans une direction donnée et dont l’interaction avec les constituants de l’atmo-sphère génère une onde rétrodiffusée. C’est l’intensité de cette rétrodiffusion qui va permettre de déterminer les propriétés des constituants atmosphériques rencontrés. En fonction de la longueur d’onde utilisée, les interactions ne seront pas les mêmes. Ainsi, le radar (radio detection and ranging), émettant des ondes de longueurs d’onde centimétriques, sera utilisé pour la détection des hydrométéores quand le lidar (light detection and ranging), dont la longueur d’onde est d’une centaine de nanomètre, verra son signal rétrodiffusé influencé par les aérosols.
Le DOAS (Differential Optical Absorption Spectroscopy), à travers l’étude passive des spectres de diffusion d’une gamme de longueur d’onde pouvant aller de l’UV au proche infrarouge selon les modèles, permet la détection de diverses espèces
chi-28
Chapitre 2. Les aérosols : Propriétés, processus et observations - focus sur les régions Arctiques miques présentes en phase gaz dans l’atmosphère telles que BrO, ClO, le dioxyde d’azote (NO2), O3, le dioxyde de soufre (SO2), le formaldéhyde ou encore l’eau (H2O). La télédétection offre ainsi la possibilité de sonder l’atmosphère depuis un point au sol (Thrane and von Zahn, 1995; Tridon et al., 2011; Hervo et al., 2011) ou à bord d’un avion (Protat et al., 2004; De Villiers et al.,2010;Merlaud et al.,2011). Mais c’est depuis l’espace que la télédétection montre tout son intérêt. En effet, montés à bord de satellites dédiés à l’étude de l’environnement (comme par exemple la constel-lation de satellites lancée par la NASA, l’A-Train), ces outils permettent d’obtenir des mesures chaque jour sur l’ensemble du globe, contribuant ainsi à une meilleure connaissance de la répartition spatiale des propriétés de l’atmosphère. Néanmoins, ces mesures depuis l’espace, tout comme celles depuis le sol ou un avion, doivent être validées à l’aide de mesures in-situ. Pour exemples, on peut citer le satellite CloudSat, sur lequel est monté l’instrument « Cloud Profiling Radar » (Stephens et al., 2002), le satellite CALIPSO, qui est équipé du lidar CALIOP (Cloud Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization, Winker et al.(2003)) et le satellite ENVISAT, qui transporte l’instrument SCIAMACHY (Scanning, Imaging Absorption spectro-Meter for Atmospheric CartograpHY, Burrows et al. (1995)). Ces instruments ont d’ors et déjà permis de sonder les propriétés des régions arctiques, les travaux de de Boer et al. (2008),De Villiers et al. (2010) et von Savigny et al. (2009) pouvant être cités en exemples.
Chapitre 3
Le projet POLARCAT : mesures
in-situ des aérosols arctiques et
modélisation du transport
Sommaire
Introduction . . . 29 3.1 Le projet POLARCAT . . . 30 3.2 Les mesures à bord de l’ATR-42 . . . 31 3.2.1 Les veines de prélèvement . . . 31 3.2.2 Les instruments de mesures couplés aux veines CVI/CAI. . . 33
3.3 Modélisation Lagrangienne du transport de la pollution
vers l’Arctique . . . 40
Introduction
Ce chapitre propose une description de la campagne POLARCAT dont sont issues les mesures utilisées lors de ce travail ainsi que des multiples instruments, consti-tuants de la plateforme aéroportée du LaMP ou appartenant à d’autres laboratoires, qui ont servi à l’acquisition des données. Enfin, une présentation du modèle Lagran-gien de transport FLEXPART, dont les résultats sont primordiaux en vue de déter-miner les origines des masses d’air échantillonnées, est faite dans la dernière partie de ce chapitre.