Modélisation de la chimie arctique des halogènes et de ses impacts sur l'ozone et le mercure

Modelling Arctic halogen chemistry and its impacts on ozone and mercury

• Auteur / Autrice : Shaddy Ahmed
• Direction : Aurélien Dommergue, Jennie L. Thomas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 02/12/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des géosciences de l'environnement (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Paolo Laj
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aurélien Dommergue, Kerry Pratt
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Solène Turquety, Lucy Carpenter

Mots clés

Mots clés contrôlés

Arctique -- Climat

Chimie de l'atmosphère

Halogènes

Modèles mathématiques

Mots clés libres

Modélisation

Arctique

Halogènes

Chimie atmosphérique

Ozone

Mercure

Modelling

Halogens

Arctic

Atmospheric chemistry

Ozone

Mercury

Résumé

Les composés halogénés sont des espèces chimiques clés de la réactivité de la basse atmosphère arctique. Ils sont responsables de l'appauvrissement de l'ozone et du mercure dans la couche limite, de l'oxydation des hydrocarbures et ont un impact sur la chimie des oxydes d'azote et la capacité oxydante. Au printemps, des halogènes réactifs sont générés via des mécanismes d’ activation photochimique des surfaces salées (par exemple, la neige terrestre, la neige sur la glace de mer, les aérosols) et libérés dans l'atmosphère. Cependant les mécanismes d’émissions et de recyclage de ces composés, leur transport et leurs conséquences sur la chimie atmosphérique polaire sont très complexes et mal définis, ce qui conduit à des simplifications importantes dans les modèles de chimie atmosphérique. A travers le développement et l'utilisation de modèles de chimie atmosphérique, ces travaux de thèse proposent ainsi une étude du rôle des halogènes (chlore et brome) sur la chimie de la couche limite de l'Arctique au printemps.Tout d'abord, nous avons développé et utilisé un modèle unidimensionnel (PACT-1D) pour étudier les émissions d'halogènes moléculaires de la neige de surface et leur impact sur la capacité oxydante dans la couche limite. Le modèle est utilisé pour simuler la chimie réactive des halogènes observée. Les résultats du modèle, appliqué aux observations menées au printemps 2009 pendant la campagne de mesures OASIS (Ocean-Atmospheric-Sea ice-Snowpack) à Utqiagvik, Alaska montrent que le chlore peuvent être confinés dans une couche atmosphérique très fine près de la surface, ce qui entraîne un important gradient de réactivité chimique avec l'altitude. Deuxièmement, nous avons appliqué le modèle tridimensionnel WRF-Chem à l’étude des interactions entre les halogènes, l'ozone et le mercure pendant le printemps arctique. Plusieurs développements majeurs du modèle WRF-Chem ont été sont effectués dans cette thèse, notamment l'ajout d'une nouvelle description chimique du mercure. Le modèle a ensuite ét évalué avec des données uniques du centre de l'Arctique, obtenues lors de l'expédition 2020 de MOSAiC (Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate). Les résultats du modèle ont montré que les émissions de brome et le recyclage de la neige de surface et de la glace de mer sont nécessaires pour mieux représenter les événements d'appauvrissement de l'ozone et du mercure. Nos travaux soulignent ainsi la nécessité d'améliorer les descriptions des émissions de surface dans les modèles afin de représenter avec précision la chimie de la couche limite en Arctique et fournissent une base pour les développements futurs des modèles.

Halogens are an important component of Arctic atmospheric chemistry, responsible for the depletion of boundary layer ozone and mercury, oxidation of hydrocarbons, and impacts on nitrogen oxide chemistry and oxidative capacity. During spring, reactive halogens are photochemically activated on salty surfaces (e.g. land-based snow, snow on sea ice, aerosols) and released into the atmosphere. However, the interplay between polar chemical emissions, recycling, transport, and chemistry is complex and remains poorly understood. As a result, descriptions of such processes in atmospheric chemistry models are largely simplified or neglected. This thesis presents an investigation of the role of halogens (chlorine and bromine) on springtime Arctic boundary layer chemistry, through the development and use of atmospheric chemistry models.First, a 1-dimensional model (PACT-1D) is used to study molecular halogen emissions from surface snow and the impact on oxidative chemistry within the boundary layer. The model is used to simulate reactive halogen chemistry observed during the spring 2009 OASIS (Ocean-Atmospheric-Sea ice-Snowpack) measurement campaign in Utqiagvik, Alaska. Model results show that chlorine can be confined to a very shallow layer near the surface, resulting in a large chemical reactivity gradient with altitude. Second, the 3-dimensional WRF-Chem model is used to investigate the interaction of halogens with ozone and mercury during Arctic spring. Several major WRF-Chem model developments are made in this work, including the addition of a new mercury chemical description. The model is evaluated with unique data from the central Arctic, obtained during the 2020 MOSAiC (Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate) expedition. Model results show that bromine emissions and recycling from surface snow and sea ice are necessary to capture ozone and mercury depletion events. This work highlights a need for improved model descriptions of surface emissions to accurately represent boundary layer chemistry, and provides a basis for future model developments.