Une nouvelle loupe isotopique pour la chimie de l'ozone en Arctique

Vendredi, 30 Mars 2007

Dans l'Arctique, l'ozone des basses couches de l'atmosphère disparaît souvent subitement au moment du lever du soleil, au printemps. En étudiant de près ce phénomène, une équipe internationale impliquant des chercheurs du Laboratoire de glaciologie et géophysique de l'environnement(1) (LGGE), du Service d'aéronomie(2) (SA/IPSL) et du Service Météorologique du Canada vient de mettre à jour un nouveau marqueur isotopique, présent dans le nitrate atmosphérique et directement relié à cette chimie particulière. Ce marqueur devrait apporter une aide précieuse à l'étude des climats du passé.

L'ozone est connu pour ses épisodes de disparition brutale dans les hautes couches de l'atmosphère arctique et antarctique ("trou d'ozone" dans la stratosphère) au retour du soleil après la longue nuit polaire, épisodes que favorisent les émissions humaines de chlorofluorocarbures. Mais qui a vraiment entendu parler de ces disparitions subites d'ozone qui se produisent dans la basse atmosphère arctique lors du lever de soleil polaire au printemps ? Pourtant, de teneurs proches de 40 parties par milliard (ppb)(3), l'ozone passe alors brutalement à des teneurs égales à zéro. Ces "curiosités" de la chimie atmosphérique des hautes latitudes intriguent les chercheurs qui mènent donc des études de terrain depuis plusieurs années afin de les comprendre.

Opérateur changeant le filtre à particules permettant la collecte du nitrate atmosphérique dans l'Arctique. © LGGE. Ces "trous d'ozone de surface" sont la conséquence de réactions chimiques complexes et particulières (catalyse et activation photochimique) entre l'ozone (O3) et le brome (Br) issu de composés bromés contenus dans le sel de mer et émis par l'océan via l'interface que constitue la banquise. Les oxydes d'azote (NOx), autres réactifs importants de la basse atmosphère, collaborent à ces réactions en transformant le brome ainsi oxydé (BrO) en brome libre, lequel peut alors réagir à nouveau avec l'ozone. Or ces oxydes d'azote sont les précurseurs du nitrate atmosphérique (NO3-) que l'on peut retrouver ensuite préservé dans les neiges et glaces, contrairement à d'autres espèces plus réactives.

Évolution temporelle, mesurée à Alert (Nunavut, Haut-Arctique canadien) au printemps 2004, de la teneur en ozone (courbe violette) au niveau du sol et de l'anomalie isotopique du nitrate (points rouges). Les valeurs faibles de cette anomalie (notée Δ17O(NO3- )) sont clairement associées à des minima de teneur en ozone. Avec le soutien de l'IPEV(4) et en collaboration avec des chercheurs du Service Météorologique du Canada, une équipe de chercheurs du LGGE(1) et du SA(2) a pour la première fois mesuré sur le site d'Alert, à Nunavut dans le Haut-Arctique canadien, au cours de ces événements de destruction de l'ozone, les rapports isotopiques des trois isotopes stables (16O, 17O et 18O) de l'oxygène constituant le nitrate de l'atmosphère polaire. Ils ont ainsi mis en évidence un lien étroit entre la teneur en ozone de la basse atmosphère et une anomalie isotopique en 17O de l'oxygène du nitrate atmosphérique. Ces résultats, qui viennent d'être publiés dans la revue européenne Atmospheric Chemistry and Physics, montrent que le nitrate enregistre jour après jour ce signal isotopique qui lui est transmis par l'ozone via son activité chimique et celle des oxydes de brome.

Le nitrate ainsi formé se dépose ensuite dans la neige et peut, si le taux d'accumulation de neige devient suffisant, être préservé par la suite dans la glace constituant les principales calottes glaciaires. Ainsi, en mesurant l'anomalie isotopique en 17O du nitrate dans ces neiges et glaces, on accède à un nouvel indicateur de l'intensité des processus chimiques affectant la molécule d'ozone dans l'atmosphère, un indicateur qui pourrait s'avérer particulièrement utile pour les reconstructions des climats passés incluant des mécanismes détaillés de chimie atmosphérique.
Cette étude a servi de campagne préparatoire au projet OASIS (Ocean-Atmosphere-Sea Ice-Snowpack) de l'Année polaire internationale.

Note(s): 
  1. Unité mixte CNRS et Université Joseph Fourier de Grenoble
  2. Unité mixte CNRS, Université Pierre et Marie Curie, Paris VI et Université Versailles Saint-Quentin
  3. Il s'agit d'un pourcentage en volume. À titre de comparaison, un pic de pollution à l'ozone dans nos villes correspond à des teneurs d'environ 100 ppb.
  4. Institut Polaire Francais Paul Émile Victor
Pour en savoir plus: 
Source(s): 

S. Morin, J. Savarino, S. Bekki, S. Gong and J.W. Bottenheim (2007), Signature of Arctic surface ozone depletion events in the isotope anomaly (Δ17O) of atmospheric nitrate, Atmospheric Chemistry and Physics, 7, 1451-1469.

Contact(s):
  • Joël Savarino, LGGE/OSUG
    savarino [at] lgge [dot] obs [dot] ujf-grenoble [dot] fr, 04 76 82 42 51
  • Samuel Morin, CNRM-GAME
    samuel [dot] morin [at] meteo [dot] fr, 04 76 63 79 03

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