Identification and characterization of natural aerosols over the Arctic

• Main Author: Ranjbar, Keyvan
• Other Authors: O'Neill, Norman T.
• Format: Doctoral or Postdoctoral Thesis
• Language: French; English
• Published: Université de Sherbrooke 2020
• Subjects: Aerosol Optical Depth (AOD); Extreme smoke event; Arctic-adapted RS techniques for dust detection; High Arctic; Lake Hazen; Dust optical properties; Natural aerosols; Local dust plume; Arctic; Arctic Lake; Ellesmere Island; Eureka; Arctique*; Global warming
• Online Access: http://hdl.handle.net/11143/17268

Le réchauffement climatique est l'un des défis les plus graves auxquels nous sommes confrontés aujourd'hui. L'Arctique est particulièrement vulnérable à ses effets. Les aérosols jouent un rôle clé en termes d'effets de forçage radiatif (à la fois directement et indirectement en termes d'influence sur les nuages). Par conséquent, ils sont l'une des plus grandes sources d'incertitude dans la modélisation du climat dans la mesure où leurs caractéristiques microphysiques, chimiques et optiques ne sont pas bien comprises. Les aérosols arctiques peuvent être classés selon deux catégories: les aérosols anthropiques et les aérosols naturels. Les aérosols naturels comprennent le carbone noir et le carbone brun (BC et BrC), la poussière, le sel de mer, les sulfates volcaniques et les cendres ainsi que les nuages stratosphériques polaires de niveau Ib (PSC). Le but ultime du projet de recherche était de caractériser les propriétés optiques et microphysiques des aérosols naturels dans les contraintes de pouvoir capturer des événements d'opportunité spécifiques. Bien que nous ayons enquêté sur de nombreux événements d'aérosols naturels dans l'Arctique, nous nous sommes finalement concentrés sur deux événements extraordinaires. Dans le premier article, nous avons utilisé la photométrie solaire au sol, les récupérations au sol FTIR (Fourier Transform IR), les profils lidar, la télédétection par satellite et la modélisation des aérosols pour analyser un événement de fumée extrême en août 2017 sur Eureka, entraîné par le incendies pyrocb (convection extrême) près de Prince George, en Colombie-Britannique. Selon nous, cet article a été une contribution innovante et originale à divers égards: d'abord en termes d'événements d’aérosols ainsi que l'infrastructure instrumentale et l'expertise que nous avons développées et apportées au fil des années sur Eureka. L’article était également original en termes de production d'une climatologie des fumées ????f (profondeur optique en mode fin) sur 10 ans qui excluait les événements confondants tels que les intrusions stratosphériques de sulfates en mode fin de Kasatochi et Sarychev de 2008 et 2009. Une contrainte originale sur l'étiquetage des événements ????f en tant qu'événements de fumée était la corrélation entre ????f et l'abondance de CO récupérée par FTIR (le CO étant un produit de fumée classique). Pour démontrer la nature extrême de l'événement, nous avons utilisé une analyse ‘‘pic au-dessus du seuil’’ (Peak Over Threshold, POT) des pics ????f individuels au cours de notre période d'échantillonnage de 10 ans. Le deuxième article était sans doute la contribution la plus importante et la plus originale de ce projet. Elle impliquait la réussite de l’application de techniques de télédétection pour détecter un panache de poussière à basse altitude et dans l'Extrême-Arctique (81 °N) au-dessus du lac Hazen (Ellesmere Island) en utilisant plusieurs techniques de télédétection passives et actives par satellite. Nous n'avons connaissance d'aucune publication traitant de la télédétection de la poussière locale de l'Arctique effectuée sur la surface complexe de neige, de glace et de poussière telle que présente au lac Hazen. Nous avons exploité les capacités d'imagerie multiangles et multispectrales (imagerie MISR et MODIS) ainsi que les capacités de profilage dépendantes de la taille des particules des capteurs actifs (le CALIOP lidar et le radar CloudSat) pour identifier et caractériser les propriétés physiques et optiques clés du panache de poussière. Cela a été accompli malgré le fait que les algorithmes de télédétection de tous ces capteurs n'étaient pas adaptés aux conditions arctiques. Nous avons réussi à caractériser l'épaisseur du panache supérieur (la région du signal comportant le bruit le plus élevé) en termes d’épaisseur optique à 532 nm (~ 0.7) et le rayon effectif des particules du panache (entre 18 et 25 µm de rayon; ce que les spécialistes du domaine qualifient de particules de poussière ‘‘géantes’’). Abstract: Global warming is one of the most serious challenges that we face today. The Arctic is particularly vulnerable to its effects. Aerosols play a key role in terms of their radiative forcing effects (both directly and indirectly in terms of their influence on clouds). They are, accordingly, one of the greatest uncertainty sources in climate modelling inasmuch as their microphysical, chemical and optical characteristics are not well understood. Arctic aerosols can be categorized into anthropogenic and natural aerosols. Natural aerosols include black and brown carbon (BC and BrC), dust, sea-salt, volcanic sulphates and ash as well as level Ib polar stratospheric clouds (PSCs). The ultimate goal of the research project was to characterize the optical and microphysical properties of natural aerosols within the constraints of being able to capture specific events of opportunity. While we investigated numerous natural aerosol events over the Arctic, we eventually focussed on two extraordinary events. In Paper 1, we employed ground-based sunphotometry, ground-based FTIR (Fourier Transform IR) retrievals, lidar profiles, satellite remote sensing and aerosol modelling to analyze an extreme, August-2017 smoke event over Eureka that was driven by pyrocb (extreme convection) fires near Prince George, BC. This paper was, we believe, an innovative and original contribution on various levels: first and foremost, in terms of the event as well as the instrumental infrastructure and expertise that we developed and brought to bear over many years at Eureka. It was also original in terms of the production of a 10-year ????f (fine mode optical depth) smoke climatology that excluded confounding events such as the 2008 and 2009 Kasatochi and Sarychev stratospheric intrusions of fine mode sulphates. An original constraint on the labelling of ????f events as smoke events was the correlation between ????f and FTIR-retrieved CO abundance (CO being a classical smoke product). To demonstrate the extreme nature of the event we employed a "peak over threshold" (POT) analysis of individual ????f peaks during our 10-year sampling period. Paper 2 was arguably the most significant and original contribution. It involved the successful application of remote sensing techniques to detect a low-altitude, high-Arctic (81 °N) dust plume over Lake Hazen (Ellesmere Island) using a diverse array of passive and active, satellite-based remote sensing techniques. We are not aware of any published remote sensing investigations of local Arctic dust carried out over the complex surface of snow, ice and dust that was encountered in the Lake Hazen case. We exploited multi-angle and multi-spectral imaging capabilities (MISR and MODIS imagery) as well as the particle size dependant profiling capabilities of active sensors (the CALIOP lidar and the CloudSat radar) to identify and characterize the key physical and optical properties of the dust plume. This was accomplished in spite of the fact that the remote sensing algorithms of all these sensors were not adapted to Arctic conditions. We succeeded in characterizing the upper plume thickness (the region of highest signal-to-noise) in terms of 532 nm optical depth (~ 0.7) and the effective radius of the plume particles (between 18 and 25 µm in radius; what the dust community characterize as “giant” dust particles).