Chapitre 4. Le bilan du formaldéhyde troposphérique en zone côtière Antarctique
2. Reconstruction des sources et puits en phase gaz du formaldéhyde dans l’atmosphère
2.2. Choix des concentrations des précurseurs gazeux en entrée du modèle
calcul, les valeurs de JHCHO prenant en compte des conditions météorologiques effectives sont en moyenne 20% plus faibles que les valeurs par beau temps JHCHO max. Afin de comparer notre estimation corrigée par la couverture nuageuse effective pour DDU, nous avons calculé la constante de photolyse par beau temps en utilisant le modèle TUV pour la station de Halley pour laquelle des mesures de JHCHO existent. Les mesures de JHCHO réalisées entre décembre 2005 et janvier 2006 indiquent une valeur moyenne de 3.8×10-5 s-1 (données disponibles à l’adresse [http://badc.nerc.ac.uk/data/chablis/insturmentsold.html]). En utilisant des valeurs d’entrée caractéristiques des conditions de Halley (en particulier avec une colonne d’ozone totale de 250 DU selon les observations satellitaires du mois de janvier 2006, disponibles à [http://toms.gsfc.nasa.gov/ozone/ozone_v8.html]), le modèle TUV calcule une valeur moyenne de 5.41×10-5 s-1, ce qui donne un écart de 30% pour l’estimation de l’influence de la couverture nuageuse. La différence entre la valeur de JHCHO que nous avons calculée en prenant en compte la météorologie locale (rayonnement UV et colonnes totales d’O3 et NO2) et celle calculée par beau temps est donc en bon accord avec celle dans le cas de Halley, malgré les différences de météorologie entre les deux sites. Les valeurs mensuelles de JHCHO calculées sont regroupées dans le Tableau 4-3.
.
2.2. Choix des concentrations des précurseurs gazeux en entrée du
une couche limite atmosphérique relativement peu épaisse. De plus, les modélisations effectuées par Wang et al. (2007) proposent que cette véritable « canopée oxydante » s’étend jusqu’à Dumont d’Urville, avec des valeurs d’OH environ dix fois supérieures à celles proposées par le modèle IMAGES pour DDU. Cette forte influence continentale a également été démontrée par Legrand et al. (2009), qui observent que le rapport de mélange de l’ozone subit fréquemment des augmentations brutales à partir de la fin du mois de novembre, et ce jusqu’au mois de janvier (avec toutefois quelques apports isolés entre février et avril).
Pour illustrer ce phénomène, l’enregistrement de la teneur d’ozone troposphérique couvrant la période de notre étude est présenté dans la Figure 4-7. Quelques exemples majeurs d’apport continental et d’advection océanique ont été reportés ( Figure 4-7a), démontrant une brusque hausse de la teneur en ozone avec l’arrivée d’une masse d’air purement continentale, et une diminution lors de l’arrivée de masses d’air océaniques. Les perturbations peuvent atteindre jusqu’à +15 ppbv en quelques heures l’été (+5 ppbv à l’automne), avec des valeurs maximales d’ozone atteignant jusqu’à 35 ppbv. L’influence de l’origine de la masse d’air sur le rapport de mélange de l’ozone est clairement démontrée par la Figure 4-7b, qui présente l’alternance entre de brusques augmentations provoquées par l’arrivée de masse d’air continentale, et une diminution rapide lors d’advections marines en été. Des apports continentaux significatifs se produisent donc entre novembre et janvier (de façon moins significative jusqu’en avril) à Dumont d’Urville.
Figure 4-7 - Influence des masses d'air sur le rapport de mélange de l’ozone troposphérique à l’échelle annuelle (a) et mensuelle (b). Les traits verticaux orange et bleu représentent respectivement des exemples majeurs d’apport continentaux et d’advection océanique. (Les teneurs en ozone sont disponibles à l’adresse [http://www-lgge.obs.ujf-grenoble.fr/CESOA/rubrique.php3?id_rubrique=2])
Très récemment, lors de la campagne de mesures atmosphériques menée à l’été 2010/2011, les premières mesures de radicaux OH réalisées à Dumont d’Urville ont confirmé l’impact du continent sur ce site. Les teneurs maximales journalières atteignent 3.5×106 molécules.cm-3 lors d’apport continental (Kukui et al., soumis) . Toutefois, la période de mesure couvre seulement 20 jours, et n’est représentative que d’une situation généralement continentale du fait d’une part de la situation météorologique (Preunkert et al., soumis) mais aussi de l’arrêt nécessaire du prélèvement lors de chutes de neige, souvent associées aux épisodes dépressionnaires.
Afin de prendre en compte cet apport continental, susceptible d’apporter de fortes teneurs d’OH, nous avons défini un indicateur d’apport continental potentiel nous permettant de corriger les valeurs d’OH obtenues à partir de IMAGES, qui ne prend pas en compte le rôle du manteau neigeux. Du fait du très faible temps de vie des OH (quelques secondes), traduisant une forte variabilité spatiale, nous avons choisi un indicateur local et non pas un indicateur beaucoup plus régional comme l’ozone ou les rétrotrajectoires. Parmi les indicateurs météorologiques, l’humidité relative semble covarier le mieux avec les teneurs d’OH sur l’ensemble de la période de mesures. De façon empirique, une faible humidité relative (inférieure à 50%, caractéristique d’une masse d’air très sèche en provenance du continent) semble en effet systématiquement associée à de très fortes valeurs d’OH entre décembre 2010 et janvier 2011 (moyenne sur 24 heures de 2×106 radicaux.cm-3 en janvier (Kukui et al., soumis)) . Pour chaque mois, nous avons donc estimé le nombre de jours correspondant à un potentiel apport continental élevé à partir de la durée de mesures réalisées par humidité relative en dessous de 50%, ce qui permet d’obtenir un facteur correctif prenant en compte l’advection continentale. En été, ce facteur correctif indique un apport continental potentiel d’environ 50%, légèrement inférieur à ce que donnent les indicateurs régionaux (rétrotrajectoires) qui proposent plutôt entre 55 et 75% en été. Les concentrations données par le modèle IMAGES ont donc été corrigées grâce à ce facteur correctif, en estimant une valeur d’OH sur le plateau Antarctique dix fois supérieure à celle donnée par le modèle IMAGES pour la grille de Dumont d’Urville. Cette estimation donne pour le mois de janvier une valeur de 9.91×105 radicaux.cm-3, ce qui est du même ordre de grandeur que les valeurs mesurées en station côtière hors influence continentale (3.9×105 radicaux.cm-3 à Halley) et celles représentatives de l’influence du manteau neigeux (2.5×106 radicaux.cm-3 à Pôle Sud).
Afin d’être le plus complet possible dans notre étude, nous avons également retenu deux valeurs limites pour les concentrations en OH : une limite inférieure donnée par le modèle IMAGES et les mesures à Halley et Palmer qui ne prennent pas en compte l’apport continental (moyenne journalière de l’ordre de 1.85 à 4×105 radicaux.cm-3 en janvier) et une limite supérieure correspondant aux mesures réalisées par Kukui et al. (soumis) caractéristiques de l’apport continental quasi-pur entre décembre 2010 et janvier 2011
L’interconversion des radicaux HOx dépend entre autres de la concentration en oxydes d’azote et en monoxyde de carbone. Plusieurs études donnent une valeur moyenne de 100 pour ce rapport, pour une atmosphère présentant des teneurs en NOx inférieures à 100 pptv (Stevens et al., 1997; Creasey et al., 2003). Plus récemment, un rapport HO2/OH égal à 53.2 a été mesuré en zone côtière Antarctique, à Halley, par Bloss et al. (2007) avec une erreur d’environ 30%. Dans une première approche, ce rapport a été fixé comme égal à 100 pour nos calculs, en considérant que l’erreur sur l’estimation de ce rapport reste relativement limitée dans notre gamme de concentration en radicaux OH (voir paragraphe 2.3.1).
L’estimation des teneurs en NOx est difficile, car il n’existe pour l’instant aucune mesure à Dumont d’Urville. Au vu des fortes concentrations d’OH observées en été, on peut toutefois s’attendre à des teneurs relativement élevées qui peuvent être prédites par le lien existant entre les radicaux HOx et les NOx. (Chen et al., 2001, 2004) détaillent par des études de modélisation les liens complexes entre OH et NO pour des conditions rencontrées sur le continent Antarctique, notamment à Pôle Sud. Le principe de la chimie non linéaire entre les radicaux HOx et les NOx suppose qu’un minimum de NO est nécessaire pour maintenir les fortes doses d’OH ; au dessus d’une valeur seuil de NO, la réaction entre OH et NO2 devient suffisamment importante (du fait de l’interconversion entre NO et NO2) pour consommer OH (voir Figure 4-5 et Figure 4-8). La constante de photolyse utilisée dans cette étude étant du même ordre de grandeur que celle que nous avons estimée pour DDU (50% d’écart au maximum sur JNO2 en décembre) nous avons estimé la teneur en NO sur la base des études réalisées pour Pôle Sud. La Figure 4-8 montre que pour une teneur en OH inférieure à 2×106 radicaux.cm-3, la relation entre NO et OH est quasi-linéaire. Ainsi, à partir de la teneur en OH de 2×106 radicaux.cm-3, que nous avons estimée comme représentative de l’apport continental en décembre (dix fois supérieures à celle donnée par IMAGES et également en bon accord avec les teneurs modélisées par Wang et al. (2007)), nous déterminons une valeur minimale de NO de 30 pptv pour les conditions continentales à Dumont d’Urville. Comme référence en atmosphère marine, nous avons choisi les moyennes mensuelles mesurées sur un autre site côtier (Neumayer) par Weller et al. (2002), qui n’est pas soumis à cet apport continental.
Remarquons également que les teneurs observées en été à Neumayer (4 pptv) sont du même ordre de grandeur que celles mesurées à Halley (6 pptv) et publiées très récemment par Jones et al. (2011). Ensuite, nous avons appliqué le même indicateur d’apport continental que pour les radicaux OH, afin d’obtenir une teneur de NO moyenne pour le mélange continental/marin
de chaque mois d’été. Notre estimation des teneurs en NO constitue a priori une limite inférieure, dont nous discuterons par la suite l’incertitude qu’elle induit sur notre exercice de modélisation.
Figure 4-8 - Teneurs en OH modélisées pour Pôle Sud, en fonction des concentrations en NO et O3. (Chen et al., 2001)
Les teneurs en méthane prises en compte correspondent également à des mesures effectuées sur la station Neumayer utilisées par Riedel et al. (2005). Le temps de vie très long du méthane (environ 10 ans (Boucher et al., 2009)) ainsi que sa distribution relativement uniforme à l’échelle du globe nous permettent d’utiliser ces valeurs.
L’ensemble des valeurs d’entrée sur un cycle annuel est résumé dans le Tableau 4-3. Les valeurs de pression (moyenne annuelle) et de température (moyenne mensuelle) sont celles mesurées par la station Météo-France.
estimation prenant en compte l'apport continental mois/année T
(°C) P (mbar)
CH4
(ppbv)
J(HCHO) (s-1)
OH (rad.cm-3)
HO2
(rad.cm-3) NO (pptv) 01/09 -0.9 986 1675 2.06E-05 9.91E+05 9.9E+07 15.1 02/09 -4.0 986 1669 1.61E-05 2.50E+05 2.5E+07 6.5 03/09 -10.1 986 1672 7.57E-06 8.28E+04 8.3E+06 3.2 04/09 -14.9 986 1678 2.63E-06 2.09E+04 2.1E+06 3.5 05/09 -14.6 986 1683 9.36E-07 5.35E+03 5.4E+05 0.4 06/09 -15.3 986 1690 2.02E-07 2.43E+03 2.4E+05 0.5 07/09 -11.7 986 1695 4.25E-07 2.75E+03 2.8E+05 0.4 08/09 -14.2 986 1702 2.03E-06 1.09E+04 1.1E+06 0.5 09/09 -14.3 986 1705 6.68E-06 5.19E+04 5.2E+06 0.4 10/09 -13.8 986 1702 1.48E-05 9.50E+04 9.5E+06 1.5 11/09 -6.5 986 1698 2.56E-05 6.29E+05 6.3E+07 9.8 12/09 -1.5 986 1690 3.03E-05 1.72E+06 1.7E+08 19.4 01/10 0.4 986 1675 2.06E-05 1.64E+06 1.6E+08 15.2