Les nuages de glace en Arctique : mécanismes de formation - Jouan, Caroline (2013)
Les mécanismes de formation des nuages de glace arctiques durant la nuit polaire sont encore mal définis en raison de l'absence d'observations et de l'éloignement de cette région. Pourtant, leur influence sur les conditions météorologiques et sur le climat dans l'hémisphère nord est d'une importance primordiale; et les connaissances sur la modification de leurs propriétés, liées à des processus d'interaction aérosol-nuage, doivent être améliorées. Les fortes concentrations d'aérosols en Arctique durant la nuit polaire sont associées au transport des aérosols anthropiques des latitudes moyennes jusqu'au pôle Nord. Les observations et les modèles montrent que cela peut conduire à un transport important de particules d'aérosol acidifiées. Les mesures en laboratoire et in situ montrent qu'à basse température (< -30 °C), le revêtement d'acide sur les noyaux glaçogènes (IN) peut réduire leurs propriétés de nucléation de la glace. Par conséquent, leur concentration est réduite dans ces régions entraînant une plus faible concentration de plus gros cristaux de glace en raison d'une diminution de la compétition pour une humidité disponible similaire. De nombreuses mesures de terrain et par télédétection par satellite (CloudSat et CALIPSO) révèlent l'existence de deux types de nuages de glace (TIC) en Arctique durant la nuit polaire. Les nuages de glace de type 1 (TIC-1) ne sont visibles que par le lidar tandis que les nuages de glace de type 2 (TIC-2) sont perçus à la fois par le lidar et le radar. Les TIC-2 sont divisés en TIC-2A et TIC-2B. Les TIC-2A sont recouverts d'une fine couche de petits cristaux de glace non-précipitant (invisible par le radar) (TIC- 1), tandis que les TIC-2B ne le sont pas. Ils sont caractérisés par une faible concentration de gros cristaux de glace. On suppose que la microstructure des TIC-2B est liée à l'acidification des aérosols. Pour vérifier cette hypothèse, des études de cas et des approches statistiques ont été combinées afin d'analyser le transport des aérosols et les propriétés des nuages de glace en Arctique. La première partie de la thèse enquête sur les propriétés microphysiques des TIC-1/2A et TIC-2B, en analysant des mesures aéroportées et satellitaires de cas spécifiques observés durant la campagne de mesures ISDAC (Alaska, Avril 2008). Pour la première fois, les microstructures des TIC-1/2A et TIC-2B en Arctique sont comparées en utilisant les observations in-situ des nuages. Les résultats montrent que les différences entre eux sont confinées dans la partie supérieure du nuage, où se produit la nucléation de la glace. Les TIC-2B sont caractérisés par une plus faible concentration (< 10 L-1) de plus gros cristaux de glace (> 110 µm), une plus grande sursaturation par rapport à la glace (> 15 %) et une plus faible concentration de IN (< 2 ordres de grandeur), comparés aux TIC-1/2A. La croissance des cristaux de glace dans les TIC-2B semble « explosive » alors qu'elle semble plus « progressive » au sommet des TIC-1/2A. On suppose que ces différences sont liées à la concentration en nombre et à la composition chimique des aérosols. La deuxième partie de la thèse enquête sur l'origine des masses d'air formant deux cas spécifiques de TICs ISDAC : TIC-1/2A (1 Avril 2008) et TIC-2B (15 Avril 2008), en utilisant des outils de trajectoire et des données satellitaires. Les résultats montrent que les conditions synoptiques favorisent le transport de masses d'air en provenance de trois zones d'émissions potentielles de SO2 jusqu'en Alaska : l'est de la Chine et de la Sibérie, où des émissions anthropiques et de combustion de biomasse sont respectivement produites et la région volcanique du Kamtchatka et des Îles Aléoutiennes. Les conditions météorologiques permettent l'accumulation de polluants provenant de l'est de la Chine/Sibérie au-dessus de l'Alaska, avec probablement une forte contribution d'aérosols volcaniques acides au cours de la période du TIC-2B. Les observations OMI indiquent que les concentrations de SO2 dans les masses d'air formant le TIC-2B sont plus grandes que dans les masses d'air formant le TIC-1/2A. Des mesures aéroportées confirment une acidité élevée à proximité du TIC-2B où l'humidité est faible. Ces résultats appuient l'hypothèse que le revêtement acide sur les IN pourrait-être à l'origine de la formation du TIC-2B. Le taux de croissance des cristaux de glace, dans des conditions d'air très froid, impacte sur l'efficacité de la précipitation, la déshydratation et le bilan radiatif. Ces résultats représentent une première étape essentielle et importante qui relie les précédentes études de modélisation, de télédétection et en laboratoire, avec des observations in-situ des TICs. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Nuages de glace arctiques, particules d'aérosol, mesures aéroportées et satellitaires