Caractérisation in situ des propriétés optiques et microphysiques des aérosols troposphériques dans l’archipel arctique canadien

Abstract

Le réchauffement climatique dans l’Arctique canadien est deux fois plus rapide que la moyenne globale, ce qui accélère la fonte de la banquise et bouleverse radicalement la faune, la flore et les communautés de la région tout entière. Ce réchauffement est causé non seulement par la hausse des émissions de gaz à effet de serre, mais également par des agents de forçage climatique de courte durée comme les aérosols troposphériques. Toutefois, le forçage radiatif des aérosols dans la région polaire est beaucoup moins bien estimé que celui des gaz à effet de serre, notamment le CO2, et demeure toujours incertain. Cette grande incertitude résulte principalement de la grande variabilité spatiotemporelle des propriétés chimiques et physiques des aérosols, en plus de la complexité des boucles de rétroaction observées en Arctique. D’ailleurs, les données sur les caractéristiques des aérosols et de leur répartition à travers la région sont très limitées, et ce, plus particulièrement dans le Haut-Arctique canadien.

Pour remédier à ce problème, une série de mesures a été effectuée sur une période de 3 ans (2016-2019) dans le laboratoire de recherche sur l’environnement atmosphérique polaire (PEARL, 80N 86O) situé près de la station météorologique d’Eureka, au Nunavut, Canada. La distribution en taille des aérosols a été mesurée en se servant de plusieurs instruments, dont un compteur optique de particules (OPC), un granulomètre de mobilité électrique à balayage (SMPS) et un granulomètre aérodynamique (APS). Les propriétés optiques des aérosols ont été déterminées avec deux extinctiomètres photoacoustiques (PAX) qui opèrent respectivement à des longueurs d’onde de 405 et 870 nm.

Les observations réalisées à l’observatoire PEARL démontrent une forte variation saisonnière dans les propriétés optiques et microphysiques des aérosols polaires. Pendant l’hiver et le printemps, l’atmosphère arctique est envahie par une brume sèche d’origine anthropique qui se traduit par une forte augmentation dans la taille, la concentration en nombre et les propriétés optiques extensives des aérosols. Les épisodes de brume arctique commencent généralement en mi-décembre, où des évènements de poussières minérales ont aussi été observés, et se terminent en mai où la formation et le grossissement de nouvelles particules s’amorcent. Le début du printemps mesure les concentrations d’aérosol en mode accumulation les plus élevées durant l’année. Les aérosols les plus sombres qui composent la brume arctique ont été identifiés comme étant de la suie ou du carbone noir transporté dans l’Arctique à partir de l’Eurasie et de l’Alaska. Quelques relations systématiques entre les propriétés optiques et la distribution de taille des aérosols ont également été calculées et révèlent une différence majeure entre les aérosols interagissant avec la lumière à 405 et 870 nm.

Global warming in the Canadian Arctic is twice as fast as the global average, accelerating the melting of sea ice and radically disrupting the fauna, the flora, and the communities of the whole region. Arctic warming is caused not only by rising greenhouse gas emissions, but also by the short-lived climate forcing agents such as tropospheric aerosols. However, aerosol radiative forcing in the polar region is less precisely estimated than that of greenhouse gases, notably CO2, and remains highly uncertain. This large uncertainty arises mainly from the high spatiotemporal variability in aerosol chemical and physical properties, in addition to the complexity of the feedback loops observed in the Arctic. Furthermore, datasets on aerosol characteristics and their distribution across the region are very limited, particularly in the Canadian High Arctic.

To address this issue, a series of measurements were conducted over a 3-year period (2016-2019) at the Polar Atmospheric Environment Research Laboratory (PEARL, 80N 86W) near Eureka weather station, in Nunavut, Canada. Aerosol size distribution was measured using several instruments including an Optical Particle Counter (OPC), a Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS), an Aerodynamic Particle Sizer (APS). Aerosol optical properties were determined by two Photoacoustic Extinctiometers (PAXs) which operate at wavelengths of 405 nm and 870 nm, respectively.

Observations made at the PEARL observatory show a strong seasonal variation in the optical and microphysical properties of polar aerosols. In the winter and spring, the Arctic atmosphere is impacted by an anthropogenic haze that results in a sharp increase in aerosol size, number concentration, and optical properties. Arctic haze episodes typically occur in mid-December, when mineral dust events have also been observed, and end in May when formation and growth of new particles begin. Early spring exhibits the highest accumulation-mode aerosol concentrations during the year. The darkest Arctic haze aerosols have been identified as soot or black carbon transported into the Arctic from Eurasia and Alaska. Some systematic relationships among aerosol optical properties and size distribution have also been calculated and reveal a major difference between aerosols interacting with light at 405 nm and 870 nm.