Dossier : Climat   
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Les archives glaciaires des Alpes
Extrait de la Lettre n°14 Programme International Géosphère Biosphère-Programme Mondial de Recherches sur le Climat (PIGB-PMRC)


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Les archives glaciaires des Alpes représentent un outil irremplaçable permettant de retracer, avec une résolution saisonnière, l’histoire de la pollution atmosphérique à l’échelle de l’Europe depuis la période pré-industrielle. L’étude des signaux chimiques archivés dans la glace du Mont Blanc permet actuellement de mieux cerner l’origine et l’importance de la pollution en dérivés soufrés, azotés et halogénés depuis 1850.



   

Les archives glaciaires, témoins de l’anthropisation de l’hémisphère Nord

Les glaciers froids (c’est-à-dire ayant une température de névé à 10 mètres de profondeur inférieure au point de fusion) comme le Groenland, l’Antarctique et certains glaciers de montagne, en enregistrant correctement (sans fonte) des paramètres environnementaux rendent possible la reconstruction de la composition chimique de l’atmosphère passée. Le décryptage des signaux chimiques (teneur passée en aérosols et en gaz soluble dans l’eau) archivés dans la glace ouvre un champ d’investigations très large, mais qui nécessite une bonne connaissance de la relation liant la composition chimique de la neige et celle de l'atmosphère au moment du dépôt (fonction de transfert «air-neige»). L’étude de ces archives pose de plus le problème de la représentativité spatiale des signaux observés qui concernent des espèces dont le temps de vie atmosphérique varie de quelques jours à quelques semaines. Ceci nécessite donc une bonne connaissance des modes de transport atmosphérique entre les régions sources et le site étudié.






1 : Evolution des teneurs en sulfate dans la neige

 




La glace du Groenland et les émissions anthropiques passées de SO2 de l'hémisphère Nord.

Les carottes de glace du Groenland ont montré que les régions de hautes latitudes Nord sont depuis 1880 environ perturbées par les émissions anthropiques de SO2 des USA et l'Europe (voir figure 1). Ces enregistrements au Groenland pourraient donc permettre de remonter à l’évolution passée des émissions de SO2 de ces continents à condition de disposer d’une bonne simulation du transport atmosphérique vers ces régions de hautes latitudes, point sur lequel des améliorations sont encore nécessaires. Ceci motive l'étude d'archives glaciaires extraites de sites plus intimement liés aux sources d'émissions.

Principaux laboratoires impliqués dans le programme européen ALPCLIM

  • Institut für Umwelt Physik (Heidelberg), Coordinateur et études au Col Gnifetti (massif du Mont Rose)

  • Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l'Environnement (Grenoble) : étude au Col du Dôme (massif du Mont Blanc)

  • Laboratoire des Sciences et du Climat (Saclay) : analyse du carbone suie

  • Institut central de Météorologie et Géodynamique (Vienne) : études climatologiques

  • Institut de Physique (Berne) : analyse des gaz trace

  • Département de Géographie (Zurich) : étude des glaciers miniatures de basse altitude

  • Département des Sciences de l'Environnement (Milan) : étude au Col des Lys (massif du Mont Rose)

  • Laboratoire d'hydrolique, d'hydrologie et glaciologie (Zurich) : étude du bilan d'énergie et du régime thermique du névé

 

   




Le projet ALPCLIM.

L’Europe, les USA et l'Asie sont les 3 régions de moyenne latitude de l’hémisphère Nord où l’émission d'aérosols anthropiques est la plus importante. Afin d'évaluer le potentiel que représentent les archives glaciaires Alpines pour reconstruire les modifications environnementales (climatiques et chimiques) survenues en Europe depuis la période pré-industrielle un projet Européen ALPCLIM a été mis en place (1998-2001). Plusieurs questions, spécifiques aux glaciers Alpins, devaient en effet être résolues afin d’évaluer la portée réelle de ce type d'archives en terme d’information atmosphériques. Parmi celles-ci :

  • Quelle période de temps est accessible, et avec quelle précision, à l’aide de ces petits glaciers à dynamique d'écoulement glaciaire beaucoup plus complexe que celui des grandes calottes polaires ?

  • La résolution saisonnière est-elle ici suffisante pour permettre l’examen des tendances en été et en hiver, saisons durant lesquelles les conditions météorologiques (intensité de la convection) fort différentes régulent les échanges entre couche limite et troposphère libre ?

  • La mesure de routine des concentrations atmosphériques est-elle possible en ces sites situés au-dessus de 4000 m et ne disposant que d’une infrastructure rudimentaire (Observatoire Vallot à 4350 m, par exemple) pour aborder le problème de la relation «air-neige» ?

Nous présentons ici la composante de ce programme relative à l'histoire de la charge et de la composition en aérosol au-dessus de l'Europe reconstituée à partir des carottes de glace du Mont Blanc.



Le site du Col du Dôme, massif du Mont Blanc

Un enregistrement saisonnier continu et clair
Les résultats obtenus sur plusieurs carottes Alpines (Col Gnifetti au Mont Rose en Suisse et Col du Dôme au Mont Blanc en France) ont montré qu'au Col Gnifetti, avec une accumulation annuelle de 10 à 50 cm d'eau par an, l’échelle de temps couverte est de plusieurs siècles mais avec une résolution saisonnière médiocre liée à une ablation plus ou moins importante par le vent des couches d’hiver. Avec une accumulation annuelle de neige plus importante (40 à 200 cm d'eau) le site du Col du Dôme permet l'examen saisonnier de la chimie de la précipitation et ce, pour la majeure partie du XXe siècle.


2 :
L'observatoire Vallot


3 :
Variations saisonnières de l'ammonium et du sulfate
 


Malgré les conditions hostiles (condensation, foudre), nous avons pu mettre en place un suivi continu des aérosols à l’Observatoire Vallot (collecte automatique avec panneaux solaires, figure 2).


La chronologie
La datation s'effectue par comptage des années à partir des variations saisonnières d'espèces chimiques (ici l'ammonium), voir figure 3, et la recherche d'horizons repères (retombées radioactives des tests nucléaires atmosphériques, accident de Tchernobyl, ou encore arrivée massive sur les Alpes de vent de sable saharien comme en 1937, 1947 et 1977). Vers 100 mètres de profondeur, la glace présente au-dessus du socle rocheux n'est pas simple à dater mais la mesure de la teneur en méthane des bulles d'air indique clairement une origine préindustrielle. Les caractéristiques glaciologiques du Col du Dôme ouvrent donc la possibilité d’étudier l’enregistrement d’été comme d’hiver, périodes durant lesquelles l’apport des polluants vers la troposphère libre est fortement régulée par la convection, sur l'ensemble du XXe siècle au moins.


La fonction de transfert air-neige
La relation «air-neige» est obtenue en comparant les observations atmosphériques et la composition chimique des couches de neige de surface correspondantes; elle permet de remonter aux concentrations atmosphériques, en été comme en hiver, à partir des mesures faites dans les glaces (voir figure 3 les deux séries de mesures saisonnières obtenues sur le sulfate et l'ammonium).



Informations extraites de la glace du Mont Blanc
Dans le cadre d'ALPCLIM, l'étude des composés chimiques archivés dans la glace du Mont Blanc a porté les dérivés soufrés, azotés et halogénés. Nous détaillons ici l'exemple du sulfate pour qui les émissions anthropiques de SO2 par les différents pays d'Europe sont connues avec une précision acceptable (±30%) et qui dominent largement le budget du soufre au-dessus des continents et le cas extrême des halogènes pour lesquels non seulement les émissions anthropiques sont très mal quantifiées mais pour lesquels il reste encore difficile de savoir si les émissions anthropiques dominent ou non les émissions naturelles.




4 : Evolution du sulfate anthropique

 

Evolution du sulfate

Evolution sur le siècle : origine moyennée de la pollution enregistrée au Mt Blanc
L'augmentation des teneurs estivales en sulfate (un facteur 10 entre 1925 et les années 80, figure 4) suit assez fidèlement la croissance des émissions passées de SO2 si l'on considère les pays limitrophes de l'arc Alpin (700-1000 km autour des Alpes dont la France, l’Italie, l’Espagne et la Suisse). Par contre lorsque que l'on considère les émissions de la totalité de l'Europe de l'Ouest qui au début du siècle sont dominées par les émissions de Grande Bretagne l'accord avec le profil de sulfate est nettement moins bon. Ceci montre que le site du Mont Blanc est en été beaucoup plus sensible à la pollution des pays limitrophes que de l’ensemble de l’Europe de l’Ouest.


Alternance été/hiver : origine saisonnière de cette même pollution
Un facteur 10 sépare la concentration dans la couche hivernale (peu polluée) de celle dans la couche d’été. L'impact important des pays limitrophes aux Alpes en été est logique si l'on considère l’importance de la convection depuis la couche limite vers la troposphère libre à cette saison. L’étude des couches d’hiver (figure 4) montre par contre une pollution plus modérée (un facteur 4 entre 1925 et 1980) de la troposphère libre mais prenant place à une plus grande échelle (Europe de l’Ouest, Europe de l’Est et ex. URSS). En utilisant les observations atmosphériques de l’Observatoire Vallot, nous avons pu inverser ces données «glace» en concentrations atmosphériques de sulfate à 4000 m au-dessus de l’Europe. Ces données indiquent une surestimation d’un facteur 2 environ des teneurs simulées pour cette altitude par les modèles globaux alors que ces mêmes modèles tendent à sous-estimer les concentrations en surface.

Associées aux mesures de sulfate obtenues dans les stations EMEP de plus basse altitude situées autour des Alpes, ces données représentent une contrainte forte pour la distribution verticale du sulfate simulée par les modèles et par là même pour l'évaluation du forçage radiatif et son évolution passée au-dessus de l’Europe depuis le début du XXe siècle. Comparé aux enregistrements au Groenland le niveau préindustriel de sulfate dans la glace du Mont blanc représente une faible fraction du sulfate total en période industrielle (10% et 20% en été et en hiver pour les années 80 contre 25% au Groenland).






5 : Tendances récentes du fluor dans la neige

 



Evolution du fluor
Les teneurs en fluor ont très rapidement augmenté dans les années 30, passant par un maximum vers 1970, pour redescendre nettement entre 1975 et 1980 (figure 5). La tendance est donc ici très différente de celle du sulfate qui commence à augmenter de manière importante après guerre. Ceci met en évidence une composante anthropique attribuable aux rejets de fluor liés au développement de l’industrie de l’aluminium (électrolyse fondue de l'alumine, Al2O3, utilisant la cryolite contenant essentiellement Na3AlF6). La forte décroissance dans les années 70 des teneurs en fluor de la glace du Mont Blanc correspond à la mise en place par Pechiney de capots d’alumine au-dessus des cuves d’électrolyse. Notons que cette étude, qui nous a permis de mieux cerner le budget mal connu de cette espèce, montre également que les émissions locales en provenance des vallées alpines ne sont pas seules à l'origine des dépôts au-dessus de 4000 m comme en témoigne la différence entre les émissions de fluor de l'usine voisine (~ 40 km) de Saint Jean de Maurienne et l’enregistrement du fluor dans la glace du Mt Blanc (figure 5).






6 : Evolution des teneurs en HCI

 



Evolution de l'acide chlorhydrique
Ce type d'étude a également été effectué sur d'autres espèces dont le budget atmosphérique reste mal cerné à l'échelle de l'Europe. Ainsi l'augmentation des teneurs en HCl que nous avons mis en évidence dans la glace du Mont Blanc est principalement due aux émissions par les incinérateurs (en particulier la combustion du PVC) et dans une moindre mesure à la combustion du charbon en Europe de l’Ouest (figure 6). La grande variabilité des niveaux en été avant l'installation des incinérateurs, fin des années 60, est essentiellement naturelle. Bien que restant mal quantifiée, la combustion de la biomasse végétale pourrait représenter la principale source d'acide chlorhydrique naturelle au-dessus des continents.

Nos résultats sur la glace du Mont Blanc permettent ici d'asseoir clairement cette hypothèse car les valeurs très élevées observées entre 1946 et 1950 coïncident avec une période caractérisée par des étés chauds (voir article «Le réchauffement climatique sur le siècle en France», «Lettre Changement Global» n° 12) et qui fût marqué par de vastes incendies dans la région des Landes. On citera quelques épisodes des «années de feu» : de 1942 a 1945 on compte 200 000 ha ravagés par les incendies; en 1947, 340 000 ha. Le paroxysme a été atteint en 1949, année durant laquelle 140 000 ha ont été la proie de 500 feux par suite de l'extrême sécheresse de l'été et de la violence du vent. Le point fort de cette crise a été l'incendie de Cestas, le 20 août, où l'on compta 82 victimes et 28 000 hectares de forêts détruits.


Prospective
L'absence d'évolution des teneurs en oxalate que nous avons observée dans la glace du Mont Blanc suggère que les émissions biogéniques dominent encore actuellement le budget de cette espèce en régions continentales fortement anthropisées. Ceci nous amène à nous interroger de manière plus générale sur l'évolution passée de l'aérosol organique, un autre acteur important (avec le sulfate) du forçage du climat par l'aérosol. Les résultats obtenus ayant démontré la fiabilité de ces enregistrements, un nouveau programme Européen CARBOSOL dont l'un des objectifs est de documenter l'évolution des teneurs en aérosols organiques et minéraux au-dessus de l'Europe depuis la période pré-industrielle vient de débuter (2002-2004, coordinateur M. Legrand, LGGE).

Ce projet implique 6 groupes européens. Il combine l’étude de la composition actuelle de l’aérosol et des précipitations dans 6 stations Européennes (des Açores à la Hongrie en passant par le sommet des Alpes) avec une étude de la glace déposée au Mont Blanc associée à une étude de la relation «air-neige» à l’Observatoire Vallot qui permettra de reconstruire le contenu en aérosol de la moyenne troposphère au-dessus de l’Europe depuis la période préindustrielle. Les études viseront à établir le bilan en masse de l’aérosol, la répartition organique/inorganique, carbone suie/carbone organique, carbone organique soluble/insoluble, et la distribution en taille de l’aérosol dans les 6 stations ainsi que dans les précipitations. La contribution des différentes sources d’aérosols organiques (naturelle/anthropique, primaire/secondaire) sera abordée par l’étude de certains composés et groupes de composés : 14C (distinction entre combustion de biomasse et de fuel fossiles), cellulose (débris végétaux), levoglucosan (combustion du bois), HULIS (humic acids like substances), et terpenoids (production secondaire à partir d’émissions biogéniques).

Associée aux simulations numériques de modèle de chimie et transport à l’échelle de l’Europe (EMEP, Meso-NH, MOCAGE) cette étude permettra de proposer un inventaire des émissions d'aérosol organique sur l’Europe depuis 1850. Enfin le modèle REMO couplé à un module de transfert radiatif permettra in fine d’estimer le changement radiatif survenu au cours des 150 dernières années sur l’Europe en réponse au changement de la charge en sulfate et en aérosol organique d’origine anthropique.


Contact : Michel Legrand
Laboratoire de Glaciologie
et Géophysique de l’Environnement
FRE (CNRS associé Université de Grenoble 1)
BP 96 – 38402 St Martin d’Hères Cedex






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