Etude du formaldéhyde (HCHO) en zone côtière Antarctique

Study of formaldehyde in coastal Antarctica.

• Auteur / Autrice : Guillaume Pépy
• Direction : Michel Legrand, Susanne Preunkert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'univers, et de l'environnement
• Date : Soutenance le 23/11/2011
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de glaciologie et géophysique de l'environnement (Grenoble ; 1958-2016)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Dominique Creutin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Legrand, Susanne Preunkert, Valerie Gros
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Eric Wolff, Anne Monod

Mots clés

Mots clés libres

Oxydants

Zone côtière Antarctique

Formaldéhyde

Oxidants

Coastal Antarctica

Formaldehyde

Résumé

Avec pour objectif de documenter et comprendre ses sources et puits en atmosphère de fond, nous avons réalisé un enregistrement annuel du formaldéhyde troposphérique en Antarctique, sur la base côtière de Dumont d'Urville. Des teneurs mensuelles de 50 pptv en hiver jusqu'à 200 pptv en été ont été mesurées. Au printemps, et été et à l'automne, un cycle journalier a été observé, avec un maximum l'après midi et une amplitude d'environ 40 pptv. Les artéfacts observés avec les appareils utilisés pour la mesure de HCHO (AeroLaser 4021), liés aux variations de température dans le local de mesure et pouvant induire des biais de 50 à 100 pptv, ont été éliminés en adaptant notre méthode analytique. Le formaldéhyde étant produit lors des combustions, l'influence des sources de contamination locales a été examinée en détail. Les sources de combustion par la station augmentent sporadiquement de 150 pptv au maximum les moyennes horaires. Une source locale d'émission par les sols ornithogéniques en liaison avec la présence des Manchots Adélie peut influencer jusqu'à 200 pptv les moyennes horaires en été. Au total, ces deux sources locales peuvent surestimer d'un facteur 5 au maximum l'amplitude du cycle journalier observé et impacter jusqu'à 100 pptv les moyennes mensuelles en été. Suivant ce constat, les données brutes ont été filtrées selon des critères météorologiques locaux pour éliminer toute contamination potentielle. L'étude des sources et puits en phase gaz a été réalisée à l'aide d'un modèle de photochimie développé pour les conditions de DDU. Nos résultats montrent que l'oxydation du méthane domine le budget en été (80%) du fait des fortes teneurs en radicaux HOx et en NOx en liaison avec l'impact du plateau Antarctique atteignant DDU. Le méthyl-hydroperoxyde constitue une source secondaire significative de HCHO en phase gaz (20% de l'oxydation du méthane), tandis que les faibles teneurs en hydrocarbures non-méthaniques mesurées en été nous amène à évaluer la contribution de cette source initialement attendue comme importante à moins de 5% de l'oxydation de CH4. A la différence d'autres observations en Mer de Weddell, les composés halogénés semblent avoir une influence relativement limitée dans le cas de Dumont d'Urville (10% du budget total au maximum). Suivant nos estimations, l'apport continental efficace permet d'envisager une source d'émission par le manteau neigeux du plateau. Celle-ci constitue une source secondaire relativement faible en été (10%) mais domine le budget hivernal (70%). Notre exercice de modélisation sur l'échelle saisonnière et journalière souligne la nécessité d'associer les processus en phase gaz avec les flux d'émission par la neige et de dépôt afin de reproduire correctement les observations.

With the aim to investigate the production and destruction mechanisms of formaldehyde (HCHO) on a seasonal scale in the remote troposphere, HCHO was monitored over a 13-months period at Dumont d'Urville station, located near the East Coast of the Antarctic continent. Monthly means of 50 ppt in winter and up to 200 ppt in summer were measured. In spring, summer and autumn, a daily variation was detected with amplitude of ≈40 ppt and a maximum during the afternoon. The analytical instrument (Aerolaser, AL4021) deployed for the measurements, was found to be extremely sensitive to ambient temperature variations. The origin of the temperature dependence was investigated, and the deployed analytical method was adapted to eliminate this artefact. The impact of local contamination sources at the measurement site was explored in detail. Anthropogenic combustions were found to have a limited impact (maximum 150 pptv on hourly means) versus a local emission source from ornithogenic soils, induced by the omni-presence of Adelie penguins on the site in summer (maximum 200 pptv on hourly means). From november to march, these sources can introduce an overestimation by a factor 5 of the daily HCHO amplitude, while the influence on the monthly averaged budget can account up to 100 ppt. The raw dataset was thoroughly filtered using local meteorological criteria to eliminate any potential contamination. HCHO measurements were compared to simulations made with a numerical box model developed on the base of the current understanding of the photochemical sources and sinks of HCHO. During summer, methane oxidation was found to be the major source of HCHO production, likely due to enhanced levels of oxidants such as hydroxyl radical (OH) or nitrogen oxide (NO) occurring at DDU since this coastal site is under strong continental influence. Snow emissions and HCHO formation via methyl-hydroperoxyde oxidation complete the summer budget (respectively 10 to 20% of the CH4 oxidation). In contrary to what was observed for the Weddell Sea area, halogens chemistry is probably unlikely to contribute significantly at Dumont d'Urville (<10% of the CH4 oxidation). Finally, the initially attended summer source originating from non-methane hydrocarbons oxidation was found to be inefficient and to contribute only with less than 5 % of the CH4 oxidation. During winter the snowpack source was found to be preponderant (70% of CH4 oxidation) versus the gas phase chemistry sources of HCHO. Model investigations, performed on a seasonal and daily scale have shown that gas phase processes together with deposition and snow emission have to be considered to achieve a correct reconstruction of the observations.