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Le surprenant pouvoir oxydant de l’atmosphère en Antarctique de l’Est

par assistant com’ - 6 juin 2012 ( maj : 31 juillet 2012 )

Les hautes latitudes sont des régions particulièrement sensibles au changement global : déperdition de l’ozone stratosphérique en Antarctique et sensibilité de la troposphère Arctique à la pollution des moyennes latitudes. Appréhender l’impact du changement global sur ces régions très vulnérables requiert une connaissance approfondie de leurs nombreuses spécificités. Dans le cadre du projet OPALE coordonné par le LGGE, des chercheurs ont mis en évidence l’étonnamment fort pouvoir oxydant de l’atmosphère située au-dessus de l’Antarctique de l’Est, du haut plateau jusqu’à la côte.

Le pouvoir oxydant de l’atmosphère, qui traduit sa capacité à détruire les composés qui y entrent, dépend surtout de sa teneur en radicaux OH.
Dans les régions propres et pauvres en oxydes d’azote ou NOx (NO et NO2), comme l’atmosphère marine, OH est essentiellement produit par photolyse [1] de l’ozone (O3) puis réaction du radical formé avec la vapeur d’eau (production primaire).

Processus photochimiques conduisant à la production de radicaux OH et RO2 (HO2 et CH3O2).
Les composés en bleu agissent comme sources primaires de ces radicaux à travers leur photolyse (notée hν), ceux en rouge comme agents de recyclage de RO2 en OH.
Carte de l’Antarctique montrant la localisation des stations mentionnées et la concentration en glace de mer sur l’océan (en rouge).

Dans l’atmosphère très froide et sèche de l’Antarctique, continent totalement recouvert de neige, entouré d’un océan et situé loin de toute pollution, une très faible teneur en OH était donc attendue. C’est effectivement ce qui a été observé à la station côtière américaine de Palmer (105 rad cm-3) en Antarctique de l’Ouest. Des teneurs un peu plus fortes (4 105 rad cm-3) ont été mesurées dans des secteurs côtiers à forte présence de glace de mer comme à Halley, du fait de la présence de composés halogénés (XO) parfois abondants au-dessus de la glace de mer et qui favorisent le recyclage de RO2 en OH. Cependant, des teneurs en OH bien supérieures à celles observées à Palmer (25 105 rad cm-3) ont été mesurées par les américains au Pôle Sud, soit des teneurs du même ordre de grandeur que celles mesurées dans les atmosphères urbaines ! Des taux élevés de NOx ayant également été mesurés, et sachant que l’azote présent dans le manteau neigeux est sous forme d’acide nitrique, il semblerait donc que l’acide nitrique présent dans la neige de surface se photolyse en NOx qui s’échappent dans l’atmosphère, conduisant à la fois à une production primaire de OH, par augmentation de la production photochimique locale d’O3, et à un recyclage important de RO2 (HO2 et CH3O2) en OH.
Beaucoup de points restaient cependant à élucider comme :

  • la pertinence d’une extrapolation, au reste du plateau antarctique, des processus identifiés au Pôle Sud ;
  • l’impact éventuel sur les zones côtières des masses d’air très oxydantes du pôle Sud, voire du plateau continental ;
  • le rôle joué par d’autres composés azotés comme l’acide nitreux (HONO) dans la production primaire de OH.

Le projet OPALE (voir post-scriptum) vise à répondre à ces questions à partir de mesures réalisées à la station côtière de Dumont d’Urville, en Antarctique de l’Est, et à Concordia, sur le plateau antarctique.

Une première campagne a eu lieu à Dumont d’Urville fin 2010 afin de mesurer les radicaux OH et RO2 (par spectrométrie de masse à ionisation chimique) et leurs précurseurs (O3, H2O2, HCHO, HONO et NOx). La difficile mesure de HONO a été effectuée à l’aide d’un LOPAP (Long path absorption photometer), un appareil déployé pour la première fois en Antarctique et beaucoup moins sujet à artéfact que ceux utilisés par les Américains à Pôle Sud.

A. Kukuià Dumont d’Urville devant le spectromètre de masse à ionisation chimique qu’il a développé.
© LGGE, B. Jourdain

Ces mesures ont permis de mettre en évidence des teneurs en OH près de 20 fois supérieures à celles de Palmer, établissant le caractère fortement oxydant de cette région, et de montrer que ces fortes teneurs en OH apparaissent plus systématiquement dans les masses d’air arrivant directement du continent que dans celles présentant un mélange avec de l’air océanique. Cette augmentation des OH dans l’air en provenance directe du continent est accompagnée d’une augmentation d’O3 qui reste cependant insuffisante pour expliquer les observations. Le temps de vie des OH étant très court (quelques secondes), la présence d’espèces recyclant RO2 en OH est donc nécessaire : des NOx venant du plateau antarctique et/ou des composés halogénés (IO et BrO). Suite au tragique accident d’hélicoptère survenu en Antarctique fin 2010, la mesure planifiée des NOx n’a pu être effectuée. Cependant, la mise au point dans le cadre d’un autre projet d’un nouvel appareil [2] de mesure d’espèces traces comme IO, BrO et même NO2, dont le premier prototype a été envoyé fin 2011 à Dumont d’Urville, a permis de montrer sans ambiguïté que le recyclage de RO2 en OH s’effectue avec des NOx, le rôle des composés halogénés restant beaucoup plus faible ici, où la glace de mer est d’ailleurs peu présente, qu’à Halley. Cet export significatif de NOx, dont les temps de vie sont de quelques heures, implique à la fois qu’ils sont efficacement transportés entre le continent et la côte, ce qui est envisageable compte tenu de l’existence d’un important écoulement gravitationnel de masses d’air glacées le long des pentes du plateau (vents catabatiques), et que le manteau neigeux se dénitrifie à grande échelle, ce qui est possible car la dénitrification est probabliement favorisée par la très faible accumulation de neige en Antarctique de l’Est. Des concentrations importantes en HONO ont également été mesurées, comme les américains précédemment, un résultat que les chercheurs ne savent pas pour l’instant interpréter.

Orifice d’entrée du spectromètre de masse à ionisation chimique ayant servi à mesurer les radicaux, sur le toit de l’abri qui l’hébergeait à Dumont d’Urville.
© DT-INSU, R. Loisil et B. Jourdain

Les données de la campagne réalisée fin 2011 à Concordia sont en cours d’exploitation mais les premiers résultats fournissent déjà des valeurs records pour les teneurs en OH, atteignant 80 105 rad cm-3, soit deux fois plus encore qu’au pôle Sud.

En conclusion, il semblerait que l’atmosphère au-dessus de l’Antarctique de l’Est soit globalement très oxydante. Ces résultats apportent une vision tout à fait nouvelle non seulement de l’atmosphère de l’Antarctique mais plus largement de toute atmosphère située au-dessus de la neige. La présence d’une surface glacée semble en effet engendrer une forte réactivité chimique dans l’atmosphère… Cela devrait beaucoup intéresser les communautés scientifiques travaillant sur la chimie atmosphérique en régions enneigées, mais aussi les paléoclimatologues travaillant avec des carottes de glace qui devront reconsidérer les temps de résidence des espèces émises dans l’atmosphère, intérêt d’autant plus crucial dans ce dernier cas que la plupart des forages profonds en Antarctique ont été effectués en Antarctique de l’Est.




Références
Measurements of OH and RO2 radicals at the coastal Antarctic site of Dumont d’Urville (East Antarctica) in summer, Kukui, A., M. Legrand, G. Ancellet, V. Gros, S. Bekki, R. Sarda-Estève, R. Loisil, and S. Preunkert, J. Geophys. Res., doi:10.1029/2012JD017614, in press.

Nitrous acid at Concordia (inland site) and Dumont d’Urville (coastal site), East Antarctica, Kerbrat, M., M. Legrand, S. Preunkert, H. Gallée, and J. Kleffmann (2012), J. Geophys. Res., 117, D08303, doi:10.1029/2011JD017149

A reassessment of the budget of formic and acetic acids in the boundary layer at Dumont d’Urville (coastal Antarctica) : The role of penguin emissions on the budget of several oxygenated volatile organic compounds, Legrand, M., V. Gros, S. Preunkert, R. Sarda-Estève, A.-M. Thierry, G. Pépy, and B. Jourdain (2012), J. Geophys. Res., D06308, doi:10.1029/2011JD017102.

Contacts
- Susanne Preunkert
LGGE
preunkert@lgge.obs.ujf-grenoble.fr
04 76 82 42 07
- Michel Legrand
LGGE/OSUG
legrand@lgge.obs.ujf-grenoble.fr
04 76 82 42 43

Post-scriptum :

OPALE (Oxidant production over Antarctica land and its export - Production d’oxydants en Antarctique et leur export)

Le projet OPALE est soutenu par l’ANR "blanc" et l’IPEV. Coordonné par le LGGE, il associe le Laboratoire atmosphères, milieux, observations spatiales (LATMOS/IPSL, CNRS / UVSQ / UPMC) le British Antarctic Survey (BAS Cambridge, UK) et la Royal Holloway University of London (RHUL, Department of Geology, UK). Il a reçu l’appui sur sites du Service d’observation CESOA (étude du cycle du soufre aux moyennes et hautes latitudes Sud) labellisé par le CNRS-INSU et de la division technique du CNRS-INSU


[1Une photolyse est une réaction chimique dans laquelle un composé chimique est décomposé par la lumière.

[2Il s’agit d’un spectromètre à amplification résonnante muni d’un laser femto seconde, mis au point au Laboratoire interdisciplinaire de spectrométrie physique de Grenoble dans le cadre du projet MoCaMAR soutenu par l’ANR "blanc".

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