Finnish Centre of Excellence in Physics, Chemistry, Biology and Meteorology of Atmospheric Composition and Climate Change

L’IPCC (Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat) a souligné la complexité du forçage radiatif direct et indirect combiné des aérosols et des gaz à effet de serre. Les particules d’aérosols atmosphériques influent directement sur le bilan radiatif de la Terre en dispersant et en absorbant le rayonnement solaire, et indirectement en agissant comme noyaux de condensation des nuages (CCN). Un certain degré d’incertitude entoure toujours les estimations de ce forçage radiatif et la question de l’interaction des différents composants entre eux est l’un des problèmes les plus importants qu’il reste à résoudre.

La formation de nouvelles particules d’aérosols atmosphériques est un phénomène important associé au système des aérosols atmosphériques. Elle se divise en un ensemble de processus complexes, comprenant la production de nanoagrégats à partir de vapeurs gazeuses, le développement de ces agrégats à des tailles détectables et leur élimination simultanée par coagulation avec la population de particules d’aérosols préexistantes. Une fois formées, les particules d’aérosols doivent encore se développer à une taille supérieure à 50-100 nm de diamètre pour pouvoir influer sur le climat, et ce bien que les particules plus petites puissent déjà avoir une incidence sur la santé humaine et la chimie atmosphérique. Alors que la formation d’aérosols est quasiment omniprésente dans l’atmosphère, notre connaissance de ce phénomène affiche encore de sérieuses lacunes, qu’il s’agisse du processus de base de la formation des aérosols atmosphériques ou de ses diverses conséquences sur la chimie atmosphérique, le climat, la santé humaine et l’environnement.

Fig 1: La station SMEAR II est conçue pour étudier les flux matériels et d’énergie dans le continuum atmosphère – végétation – sol à différentes échelles temporelles et spatiales. La station se présente comme une unité polyvalente et automatique, fonctionnant de manière continue depuis 1996

Résoudre les incertitudes

Notre principal objectif est de contribuer à réduire les incertitudes scientifiques qui entourent encore les questions de changement climatique, notamment par rapport aux aérosols et aux nuages. Notre unité de recherche travaille donc essentiellement autour des thèmes suivants :

• Mécanismes de formation et de développement des aérosols atmosphériques, dynamique des aérosols ;

• Effet des aérosols biogéniques secondaires sur la teneur en aérosols globale ;

• Interaction entre les aérosols, nuages et climat, et

• Relation entre l’atmosphère et les différents écosystèmes, notamment les forêts boréales.

Les chercheurs de notre Groupe ont publié plus de 450 articles dans des revues professionnelles au cours des cinq dernières années, dont huit articles dans Science or Nature. Résumé de nos activités principales sont la réalisation de mesures continues et établissement d’une bases de données relative aux flux de masse atmosphériques et écologiques, aux précurseurs des aérosols et à l’interaction entre le CO2, les aérosols et les gaz à l’état de trace via les stations SMEAR sur le terrain (Fig 1) ; et, Expériences et modélisations ciblées pour mieux comprendre les modèles observés. Notre programme de recherche a été conçu pour se concentrer sur les aspects de la chaîne de recherche (à l’échelle moléculaire et globale), où les incertitudes sont les plus grandes. On citera parmi les résultats récents les plus significatifs l’observation de la formation de nouvelles particules et leur développement subséquent à des tailles CCN (Fig 2).

Fig 2: Distribution des tailles d’aérosols durant la formation de nouvelles particules (station SMEAR II d’Hyytiälä) Peu avant midi, des particules nouvellement formées commencent à apparaître à une taille de 3 nm et cette formation se poursuit pendant quelques heures. Lorsque les particules atteignent une taille de 50-100 nm, elles peuvent agir comme noyaux de condensation des nuages. Les 11 dernières années ont permis d’observer près d’un millier de phénomènes de formation de particules dans le cadre de la station SMEAR II

Processus et simulations

Afin de mieux comprendre les processus associés à la nucléation et à la thermodynamique des aérosols, la recherche s’effectue à partir de simulations moléculaires (Monte Carlo et dynamique moléculaire). La connaissance de ces processus de nucléation microscopiques, en conjonction avec la condensation/l’évaporation et la coagulation, est indispensable pour comprendre la dynamique des aérosols ainsi que la concentration et la composition des particules. D’importants systèmes d’aérosols bénéficient aujourd’hui de progrès importants en matière de données de laboratoire et de techniques de modélisation. De la même manière, la photosynthèse, la respiration autotrophique et la synthèse des composés organiques volatils (VOC) sont aujourd’hui modélisées à l’échelle cellulaire, stomatique et de la feuille (ou des pousses pour les conifères), et cette approche à base de modèle s’accompagne de mesures de chambre en laboratoires et dans des conditions en milieu réel.

Les processus fondamentaux du cycle des aérosols et du carbone doivent être identifiés afin de pouvoir quantifier les propriétés radiatives des aérosols et leur influence sur la microphysique et la dynamique nuageuses à l’échelle des nuages individuels, et comprendre l’évolution de la dynamique d’absorption du carbone. A une échelle supérieure, des progrès s’imposent au niveau de notre connaissance de la couche limite (météorologie) pour mieux comprendre le transport des aérosols atmosphériques, des gaz à l’état de trace (p. ex.. CO2, CH4, N2O, O3, SO2, NOX, and VOC), l’échange de vapeur d’eau et les processus de dépôt conséquents. Les études de couche limite forment un lien avec les processus à l’échelle régionale et par-là même les phénomènes à l’échelle mondiale. Afin de permettre une bonne simulation du climat global et de la qualité de l’air, il convient aujourd’hui de compiler, d’intégrer et de mettre en oeuvre les plus récents progrès de cette chaîne de processus sous forme de modèles numériques du changement climatique (CC) et de qualité de l'air (QA) par le biais de nouvelles paramétrisations dans différents environnements.

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