Etude expérimentale de la nucléation hétérogène de la glace en régions éloignées

Experimental investigation of heterogeneous nucleation of ice in remote locations

• Auteur / Autrice : Alessia Nicosia
• Direction : Karine Sellegri, Federico Porcù
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique-Chimie de l'Atmosphère et Climat
• Date : Soutenance le 14/12/2018
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne‎ (2017-2020) en cotutelle avec Università degli studi (Ferrare, Italie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de météorologie physique (Clermont-Ferrand)
• Jury : Président / Présidente : Vincenzo Guidi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Andrea Flossmann, Vincenzo Levizzani, Pierre Amato, Franco Belosi
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Grothe Hinrich, Heike Wex, Ottmar Möhler

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nucléation (météorologie)

Mots clés libres

Noyaux glaçogènes

Nucléation hétérogène

Montagne Cimone

Arctique

Spray Marin

Ice nuclei particles

Heterogeneous freezing

Cimone Mountain

Arctic

Sea Spray

Résumé

La nucléation hétérogène de la glace est un processus, entre autres, qui concerne les phénomènes complexes de l'Atmosphère terrestre, cependant son impact est déterminant pour les propriétés et le temps de vie des nuages : ce processus affecte l'épaisseur optique et la durée de vie des nuages en phase mixte et froide et il est responsable d'une proportion significative des précipitations à l'échelle mondiale. La nucléation hétérogène de la glace est liée à la présence de particules d'aérosol spécifiques, nommées noyaux glaçogènes (acronyme INP depuis l’anglais), avec la propriété de réduire l’énergie de seuil exigée pour la formation des cristaux de glace, et dont le rôle est influent pour des températures de nuage >-38 °C. Dans les dernières décennies, des avancements significatifs ont été faits dans la description des noyaux glaçogènes, cependant leur compréhension reste incomplète et ceci influence les incertitudes sur les estimations de forçage radiatif dans les modèles climatiques. Il manque un grand nombre d’observations sur les distributions et propriété des 'INP' à l’échelle globale, spécialement en région éloignée. Dans la première partie de cette thèse, sont présentées des mesures de noyaux glaçogènes faites à l'Observatoire Climatique Italien ''O. Vittori'' sur la Montagne Cimone (2165 m au-dessus du niveau de la mer), pendant le printemps 2014 et l’automne 2015, sous les projets Bacchus et Air Sea Lab. Pour la première fois des mesures de INP hors ligne, reliés à un site de haute altitude du bassin méditerranéen sont présentées. Pendant la période du 19 au 29 mai 2014, une autre campagne a eu lieu en parallèle à la station San Pietro Capofiume, un site rural de basse altitude dans la Vallée du Po. Pendant quelques jours, les deux campagnes ont été concernées par un phénomène de Transport de Poussière Saharienne, qui a été enregistré simultanément dans la station de bas et de haute altitude. Nous avons examiné la concentration atmosphérique de INP activés à travers une congélation par condensation de vapeur (à -18°C et au-dessus de la pression de vapeur saturante). Dans la deuxième partie de cette thèse, sont présentées les observations qui ont été menées pendant la campagne arctique Parcs-Maca, dans la période de transition entre la nuit polaire et le jour polaire. Pour la première fois on reporte la caractérisation des propriétés glaçogènes et physiques/chimiques de l’aérosol marin primaire Arctique, dans une approche de génération contrôlée en laboratoire, qui a été combinée à une expérience de mesocosm. Le but de l'expérience de mesocosm était d'adopter une approche pluridisciplinaire afin d’étudier l'effet de la pollution marine sur les émissions marines. Nous avons trouvé une diminution modérée mais significative de la concentration de noyaux glaçogènes dans l'eau de mer polluée (par rapport à l'eau de mer du contrôle) pour des noyaux glaçogènes actives en congélation par immersion entre -8.5 et -19 °C. En ce qui concerne le spray marin, nos mesures indiquent une relation parmi les INP actifs à des températures chaudes (en congélation par immersion et au-dessus de -15 °C) et un enrichissement du Calcium détecté dans les filtres PM1 (suivi par un apparent épuisement du Chlorure). Sur la base de nos observations et des résultats publiés en littérature, quelque indication a été suggéré sur la nature de ces noyaux glaçogènes marins. En conclusion, les mesures effectuées dans cette thèse fournissent des nouvelles informations sur les concentrations de noyaux glaçogènes pour des particules d’aérosols en régions éloignées (un observatoire à haute altitude dans la région méditerranéenne centrale) et par rapport à une source spécifique (le spray marin Arctique).

Heterogeneous ice nucleation is one element inside the overall complexity of the Earth's atmosphere, however, it has a profound impact on our representation of cloud properties: this process affects the optical thickness and lifetime of mixed-phase clouds and cirrus clouds, and it is responsible for a significant proportion of precipitations formed globally. Heterogeneous ice nucleation is related to the presence of specific aerosol particles, named ice nuclei particles (INP), with the unique ability of lowering the energy barrier required for the formation of ice crystals, especially where cloud’s temperatures are >-38 °C. In the last decades, significant advancements have been made to the fundamental understanding of ice nucleation, however the lack of knowledge on the cloud ice phase still contributes to major uncertainties in climate model prediction of radiative forcing. This is partly due to limited observational data quantifying INP distributions and properties all over the world, especially in remote locations. In the first part of this thesis, field observations of ice nucleating particles have been performed at the Italian Climate Observatory “O. Vittori” on Mountain Cimone (2165 m above sea level), in the spring 2014 and autumn 2015, within the Bacchus and Air Sea Lab projects. For the first time we report the results of offline INP measurements, performed at a high altitude site within the Mediterranean basin. In the period 19-29 May 2014, a parallel campaign took place at the low-altitude station San Pietro Capofiume, a rural site in the Po Valley. The two campaigns were concerned, for a few days, by a Saharan Dust transport Event, which was recorded simultaneously at the high and the low-level station. We investigated the ambient number concentration of INP under condensation freezing activation mechanism (at -18 °C and above water saturation). In the second part of this thesis, we present the observations that were performed during the Arctic campaign Parcs-Maca, in the period of transition among the polar night and the polar day. We could characterise for the first time the ice nucleating and physical/chemical properties of the Arctic Primary Marine Aerosol, in a laboratory-controlled generation approach, that was combined to a mesocosm experiment. The aim of the mesocosm experiment was to adopt a multidisciplinary approach to study the effect of marine pollution on marine emissions. We found a moderate but significant decrease of the ice nuclei concentration in the polluted seawater (with respect to the control seawater) recorded in the freezing range between -8.5 and -19 °C and activated through immersion-freezing. Within the seaspray our measurements have indicated a relation among INP active at warm temperature (above -15 °C through immersion-freezing) and a calcium enrichment detected in PM1 filters (and followed by an apparent Chloride depletion). On the basis of our observations, and the results reported from other studies, a few suggestions on the nature of these marine ice nuclei have been suggested. In summary, the measurements made for this thesis provide new information on the concentrations of ice nuclei in ambient aerosol particles in remote regions (a high-altitude observatory in the central Mediterranean region) and in relation to a specific source (the Arctic sea spray).