Characterization of atmospheric ice nucleating at remote sites - Laboratoire de météorologie physique Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Characterization of atmospheric ice nucleating at remote sites

Caractérisation de noyaux glaciogènes atmosphérique sur des sites distants

Yannick Bras
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1216630
  • IdRef : 267050909

Résumé

Understanding how aerosol particles interact with atmospheric water is critical to understanding their impact on climate and precipitations. Ice Nuclei Particles (INPs) trigger the formation of atmospheric ice crystals. They are challenging to characterize because of their scarceness in the atmosphere and their variability. This variability depends partly on the different INP sources but also on the temperature at which they are activated. Considerably more variability being observed at warm temperatures (T > -20 °C), where biogenic particles have been identified as a key contributor. This is especially the case in marine regions, where the impact of ocean activity on the atmosphere is still largely unknown. The influence of atmospheric transport and aging on the IN properties of the ambient aerosols is another uncertainty in ice nucleation research. This thesis focused on the measurement and characterization of INPs in mountainous and oceanic regions, at T > -20 °C in the immersion freezing mode. Additional treatment of the samples allowed the retrieval of the concentration of biological INPs.The first half of this thesis focused on characterizing INP populations in the Southern Hemisphere waters sampled during two cruise campaigns: One in tropical waters near the Tonga volcanic arc, and the other in poor oligotrophic waters south of New Zealand. The concentrations of sea spray (SSA) INPs and seawater (SW) INPs measured in both campaigns were lower than in other marine environments, but similar to other studies in the Southern Oceans. The best correlations were observed between INPs and organic matter, bacteria and photosynthetic pigments, highlighting the strong link between biological activity and INP concentrations. Parametrizations for predicting SW and SSA INPs were developed, showing that the transfer from SW INP to SSA INPs can be calculated based on the relationship between SW INPs and a SW organic carbon.In order to understand the effect of atmospheric transport and aging on the IN properties of the aerosols, we measured INP concentrations at a continental site that is influenced by different air masses types. Two consecutive field campaigns took place at the Puy de Dôme station in Central France: the intensive, one-month long PICNIC campaign, and the long term WINS campaign. We measured concentrations between 0.001 and 0.1 INP/Lair, depending on the temperature. We also observed a majority of heat labile, potentially biogenic INPs at T>-12 °C. INP concentrations were at a minimum in winter and at a maximum in autumn and spring. Lower ratios of biogenic INPs were observed in the winter, explained by a decrease in vegetation cover and biogenic aerosols emissions. A parameterization for predicting warm INPs using the total aerosol concentrations as a predictor was successfully developed and tested.In summary, this thesis provides new information of ice nuclei particles properties in various remote sites. We were also able to develop empirical parameterizations for predicting INPs for each of these environments.
Il est essentiel de comprendre comment les aérosols interagissent avec l'eau atmosphérique pour comprendre leur impact sur le climat et les précipitations. Les noyaux glaciogènes (INP) déclenchent la formation de cristaux de glace atmosphérique. Ils sont difficiles à caractériser en raison de leur rareté dans l'atmosphère et de leur variabilité. Cette variabilité dépend en partie des différentes sources d'INP mais aussi de la température à laquelle ils sont activés. Une variabilité beaucoup plus importante est observée aux températures chaudes (T>-20 °C), où les INP biogéniques ont été identifiés comme un contributeur clé. C'est notamment le cas dans les régions marines, où l'impact de l'activité océanique sur l'atmosphère est encore largement inconnu. L'influence du transport atmosphérique et du vieillissement sur les propriétés IN des aérosols ambiants est une autre incertitude dans la recherche sur la nucléation de la glace. Cette thèse s'est concentrée sur la mesure et la caractérisation des INP dans les régions montagneuses et océaniques, à T>-20 °C en mode de gel par immersion. Un traitement supplémentaire des échantillons a permis de retrouver la concentration des INP biologiques.La première moitié de cette thèse s'est concentrée sur la caractérisation des populations d'INP dans les eaux de l'hémisphère sud échantillonnées lors de deux campagnes par bateau : L'une dans les eaux tropicales près de l'arc volcanique de Tonga, et l'autre dans les eaux oligotrophes pauvres au sud de la Nouvelle-Zélande. Les concentrations en INP des embruns marins et de l'eau de mer mesurées lors des deux campagnes étaient plus faibles que dans d'autres environnements marins, mais similaires à d'autres études menées dans l’Océan Austral. Les meilleures corrélations ont été observées entre les INP et la matière organique, les bactéries et les pigments photosynthétiques, mettant en évidence le lien étroit entre l'activité biologique et les concentrations d'INP. Des paramétrisations pour prédire les INP dans l’eau de mer et les embruns ont été développées, montrant que le transfert des INP dans l’eau de mer aux INP dans les embruns peut être calculé sur la base de la relation entre les INP et le carbone organique dans l’eau de mer.Afin de comprendre l'effet du transport atmosphérique et du vieillissement sur les propriétés IN des aérosols, nous avons mesuré les concentrations d'INP sur un site continental influencé par différents types de masses d'air. Deux campagnes consécutives ont eu lieu à la station du Puy de Dôme : la campagne PICNIC, intensive et d'une durée d'un mois, et la campagne WINS, de longue durée. Nous avons mesuré des concentrations comprises entre 0,001 et 0,1 INP/Lair, en fonction de la température. Nous avons également observé une majorité d'INP biogéniques à T>-12 °C. Les concentrations d'INP étaient minimales en hiver et maximale en automne et au printemps. Des ratios plus faibles d’INP biogéniques ont été observés en hiver. Une paramétrisation pour prédire les INP à T>-20 °C en utilisant la concentration d'aérosols comme prédicteur a été développée et testée avec succès.En résumé, cette thèse fournit de nouvelles informations sur les propriétés des particules de noyaux de glace dans divers sites éloignés. Nous avons également été en mesure de développer des paramétrisations empiriques pour prédire les INP pour chacun de ces environnements.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03943589 , version 1 (17-01-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03943589 , version 1

Citer

Yannick Bras. Characterization of atmospheric ice nucleating at remote sites. Earth Sciences. Université Clermont Auvergne, 2022. English. ⟨NNT : 2022UCFAC028⟩. ⟨tel-03943589⟩
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