GP6 : Flux et devenir atmosphérique des composés volatils formés par les surfaces continentales

Abdelwahid Mellouki (CNRS-ICARE), Christophe Guimbaud (Université-LPC2E), Fatima Laggoun-Défarge (CNRS-ISTO)

Labex Voltaire - image HeliosAujourd’hui, pour déterminer l’impact des activités industrielles considérées à raison comme polluantes et responsables pour partie du changement global, il est indispensable de connaître qualitativement et quantitativement la part des émissions « naturelles ». Pour cela, VOLTAIRE a choisi de réunir des spécialistes de ces problématiques pour croiser leurs démarches et leurs résultats, et ambitionne d’apporter ainsi une plus grande robustesse aux modèles couplés. L’idée est d’étudier en parallèle deux types d’environnements ayant un fort impact sur les cycles du carbone et de l’azote : les tourbières et les sols cultivés, puis d’étudier dans le compartiment troposphérique le devenir de ces composés (photooxydation, aérosols) et le rôle contributeur des volcans dans la composition en halogènes.

Les tourbières à sphaignes seront étudiées à l’échelle mondiale, afin de comparer l’impact des changements globaux sur le bilan puits/source de carbone en régions tempérée et subarctique. 80% de ces tourbières se trouvent dans les hautes latitudes de l’hémisphère Nord, précisément où le réchauffement le plus important est attendu pour les décennies à venir (IPCC 2007 b, c). Avec un tel scénario, leur fonction de puits de carbone pourrait s’inverser.

Aussi, il devient primordial de prendre en compte, dans les prévisions climatiques à long terme, le possible déstockage du C par ces environnements. VOLTAIRE ménera ces études

  1. dans le cadre d’un réseau national de type SOERE qui seul autorisera la comparaison nécessaire entre plusieurs sites choisis en raison de leur diversité bio-géographique et climatique et leur degré d’anthropisation ;
  2. dans le cadre de projets internationaux pour étudier la vulnérabilité au changement climatique de complexes tourbeux subarctiques, type « Mukhrino » en Sibérie occidentale en conditions naturelles et simulées.

Les forçages climatiques seront la température par installation de dispositifs expérimentaux pour le réchauffement de l’air et du sol, et l’hydrologie par manipulation du niveau de la nappe ou interception des pluies.

Les émissions de N2O seront étudiées sur sites-ateliers : des champs en exploitation qui présentent des sols de natures plus ou moins hydromorphes représentatifs, et potentiellement fortement émetteurs de N2O ainsi que des parcelles témoins caractérisées par des sols riches en argile (Beauce). Les isotopes du N2O permettront de comprendre les processus microbiens mis en jeu (dénitrification/nitrification).
Des mesures d’émissions de gaz (avec caractérisation isotopique) se feront à l’échelle de la plante ou du site (méthode de chambres) ou à l’échelle de la parcelle/paysage (mesures sur mâts par méthode micro-météorologique, par exemple de type eddy correlation turbulente, qui seront initiées dans le cadre de VOLTAIRE). Sur la base de nos observations, nous pourrons proposer de nouvelles fonctions représentant les processus mis en jeu et les intégrer dans des modèles biogéochimiques.
Nous nous appuierons sur le modèle CERES-NOE, qui permet de simuler les émissions gazeuses par les sols ou la plateforme de modélisation, « Sol Virtuel », développée par l’INRA. A moyen terme, nous intégrerons ces données dans des modèles couplés chimie atmosphérique – météorologie.

La dégradation atmosphérique des COV insaturés d’origines biogénique ou anthropique sera étudiée, en précisant la nature des produits de dégradation des espèces précurseurs d’aérosols, en déterminant leurs taux de formation et leur composition chimique. Les processus de nucléation, d’évolution chimique et de vieillissement de l’AOS vers la formation de noyau de condensation seront étudiés. Des recherches seront conduites sur l’impact de la chimie des composés volatils insaturés sur le bilan des radicaux dans la troposphère.
Par ailleurs, des études de la réactivité hétérogène des espèces volatiles sur des aérosols en suspension ou de surfaces continentales représentatives seront menées afin de mieux comprendre les processus de recyclage atmosphérique, mais aussi les processus de photo-catalyse hétérogène faisant suite à l’expérience acquise à ICARE dans le domaine de la remédiation photo-catalytique. La grande chambre à irradiation naturelle, HELIOS  (3e en taille au niveau européen et 1ère en France) en construction à Orléans, permettra de reproduire les conditions dans lesquelles les espèces sont oxydées dans l’atmosphère.

L’étude des composés halogénés volcaniques sera entreprise pour obtenir la vision la plus complète possible des émissions de composés halogénés d’origine naturelle : de leurs émissions à leur devenir atmosphérique. Un programme d’études détaillées des processus de photochimie, de lessivage et de transport de ces composés d’origine volcanique dans la troposphère a débuté à l’aide du modèle couplé chimie-météorologie méso-échelle C-CATT-BRAMS (Freitas et al., 2009).
Nous nous focaliserons sur les éruptions mineures et les émissions passives dont l’effet à l’échelle globale est probablement plus important que celui des éruptions majeures moins fréquentes afin d’étudier l’impact de ces émissions halogénées sur la chimie atmosphérique aux échelles locale et régionale. Pour cela, des flux d’émission réalistes, en accord avec les expérimentations en autoclaves (magma artificiel) et sur site (volcans à définir) faites à l’ISTO, ainsi que des réactions spécifiques impliquant les gaz sources HBr et HCl en phase gazeuse et hétérogène sur les aérosols sulfatés seront implémentés dans le modèle. Ces travaux, réalisés en collaboration avec le CNRM-GAME, reposent en partie sur le projet PLANEX pour une analyse de HCl et de HBr émis (avec isotopie). L’éventuel transport de ces composés halogénés et leur transformation dans la stratosphère sera pris en compte dans les travaux du GP7 en interaction étroite avec ce groupe-ci.

Résultats :

Résultats du GP 6

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