Les nuages de glace en arctique : mécanismes de formation

Ice clouds in Artic : forming mechanisms

• Auteur / Autrice : Caroline Jouan
• Direction : Jacques Pelon, Eric Girard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'Atmosphère
• Date : Soutenance le 26/04/2013
• Etablissement(s) : Clermont-Ferrand 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire de météorologie physique (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : (LaMP) Laboratoire de météorologie physique - TACT -LATMOS
• Jury : Président / Présidente : Wolfram Wobrock
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Louis Brenguier, Jérôme Riedi, Julie Theriault, Jean-Pierre Blanchet, Jean-Claude Roger
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Louis Brenguier, Jérôme Riedi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aérosols atmosphériques

Arctique

Climat

Mots clés libres

Nuages de glace arctiques

Particules d’aérosol

Mesures aéroportées et satellitaires

Arctic ice clouds

Aerosol particles

Airborne and satellite measurements

Résumé

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. (...) 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.

Arctic ice cloud formation during winter is poorly understood mainly due to the lack of observations and the remoteness of this region. Yet, their influence on Northern Hemisphere weather and climate is of paramount importance, and the modification of their properties, linked to aerosol-cloud interaction processes, needs to be better understood.Large concentration of aerosols in the Arctic during winter is associated to long-range transport of anthropogenic aerosols from the mid-latitudes to the Arctic. Observations and models show that this may lead to a significant transport of acidified aerosol particles. Laboratory and in-situ measurements show that at cold temperature (< -30°C), acidic coating may reduce the ice nucleating properties of ice nuclei (IN). Therefore, the IN concentration is reduced in these regions, resulting to a smaller concentration of larger ice crystals and because of the reduced competition for the same available moisture.Extensive measurements from ground-based sites and satellite remote sensing (CloudSat and CALIPSO) reveal the existence of two Types of Ice Clouds (TICs) in the Arctic during the polar night and early spring. The first Type of Ice Clouds (TIC-1) are visible only by the lidar while the second Type of Ice Clouds (TIC-2) are detected by both the lidar and radar. TIC-2 are divided into TIC-2A and TIC-2B. TIC-2A are topped by a cover of non-precipitating very small (radar-unseen) ice crystals (TIC-1), while TIC-2B are not. They are characterized by a low concentration of large ice crystals. It is hypothesized that the observed low concentration of large ice crystals, leading to precipitation (e.g. cloud regime TIC-2B), is linked to the acidification of aerosols. To check this, we are combining case studies and statistical approaches to analyse aerosol transport and cloud properties in the Arctic.The first part of the thesis investigate the microphysical properties of TIC-1/2A and TIC-2B, analysing airborne in-situ and satellite measurements of specific cases observed during the ISDAC campaign (Alaska, April 2008). For the first time, Arctic TIC-1/2A and TIC-2B microstructures are compared using in-situ cloud observations. Results show that the differences between them are confined in the upper part of the clouds where ice nucleation occurs. TIC-2B were characterized by fewer (< 10 L-1) and larger (> 110 μm) ice crystals, a larger ice supersaturation (> 15 %) and a fewer ice nuclei (IN) concentration (< 2 order of magnitude) when compared to TIC-1/2A. Ice crystal growth in TIC-2B clouds seems explosive whereas it seems more gradual in TIC-1/2A. It is hypothesized that these differences are linked to the number concentration and the chemical composition of aerosols. The second part of the thesis investigate the origin of air masses forming two specific cases ; TIC-1/2A (1 April 2008) and TIC-2B (15 April 2008), using trajectory tools and satellite data.(...)