À la traque des sulphates volcaniques : de la modélisation de la formation des sulphates volcaniques troposphériques et de ses signatures isotopiques d’oxygène

Tracking volcanic sulphate : modelling tropospheric volcanic sulphate formation and its oxygen isotopic signatures

• Auteur / Autrice : Tommaso Galeazzo
• Direction : Slimane Bekki, Erwan Martin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géochimie
• Date : Soutenance le 17/09/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Géosciences, ressources naturelles et environnement (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Atmosphères, observations spatiales (Guyancourt, Yvelines ; 2009-....) - Institut des sciences de la Terre de Paris (2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Chrystèle Sanloup
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Tjarda Roberts, Sophie Laval-Szopa
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Cartigny, Wahid Mellouki

Mots clés

Mots clés contrôlés

Panaches volcaniques

Isotopes

Halogènes

Oxydation

Soufre

Gaz volcaniques

Mots clés libres

Soufre

Oxydation

Volcans

Isotopes

Halogènes

Modélisation

Sulphur

Oxidation

Volcanos

Isotopes

Halogens

Modelling

Résumé

Les émissions volcaniques sont une source importante de soufre. Le soufre volcanique est oxydé et forme des aérosols sulfatés qui influencent le climat en absorbant et en dispersant le rayonnement solaire incident. Les émissions de soufre dans la troposphère influencent le climat local et régional, mais de grandes incertitudes subsistent en ce qui concerne l’oxydation et sa conversion en aérosols de sulfate volcanique. L’oxydation du soufre dans une vaste gamme de panaches volcaniques et l’influence des halogènes volcaniques sur la chimie du panache sont étudiées à l’aide d’un modèle de boîte chimique. Parallèlement, la composition isotopique en oxygène du sulfate volcanique, à savoir l’excès de 17-O (∆17O), est à l’étude, ce qui peut limiter les voies d’oxydation du soufre. Les résultats suggèrent qu’en présence de gouttelettes d’eau et de cendres, l’oxydation du soufre dans les panaches est principalement due à l’oxydation en phase aqueuse avec de l’O2 catalysé par des ions de métaux de transition (TMI). Les émissions d’halogènes favorisent la dominance de l’O2 /TMI en induisant des phénomènes d’appauvrissement de la couche d’ozone (ODE). En l’absence de gouttelettes d’eau, la chimie du panache est largement déterminée par la chimie hétérogène des aérosols primaires sulfatés. Les oxydants dominants dans ces panaches sont OH et H2O2. Le taux d’oxydation du soufre est considérablement réduit par rapport aux panaches contenant des gouttelettes d’eau. Les résultats montrent que les isotopes de l’oxygène dans les sulfates exercent de fortes contraintes sur l’équilibre chimique du soufre dans les panaches volcaniques et sur le rôle des halogènes volcaniques.

Volcanic emissions are a major source of sulphur. Volcanic sulphur is oxidized and forms sulphate aerosols that influence the climate by absorbing and dispersing incident solar radiation. Sulphur emissions in the troposphere influence local and regional climate, but large uncertainties remain regarding oxidation and its conversion into volcanic sulphate aerosols. The oxidation of sulphur in a wide range of volcanic plumes and the influence of volcanic halogens on plume chemistry are studied using a chemical box model. At the same time, the isotopic oxygen composition of volcanic sulphate, namely the excess of 17-O (∆17O), is being explored, which can provide constraints on sulphur oxidation pathways. The results suggest that in the presence of water droplets and ash, the oxidation of sulphur in plumes is mainly due to aqueous phase oxidation with O2 catalyzed by transition metal ions (TMI). Halogen emissions promote the domi- nance of O2 /TMI by inducing ozone depletion events (ODEs). In the absence of water droplets, plume chemistry is largely determined by heterogeneous chemistry on primary sulphate aerosols. The dominant oxidants in these plumes are OH and H2O2. The oxidation rate of sulphur is significantly reduced compared to plumes containing water droplets. The results show that oxygen isotopes in sulphates provide strong constraints on the chemical balance of sulphur in volcanic plumes and on the role of volcanic halogens.