Little is known about the role of aerosols in climate mechanics. Julia Schmale, an ACE researcher, has been testing for these particles all around Antarctica, where their interactions have not yet been affected by human activities.
It may seem unlikely, but the air around us is far from empty. It carries millions of biological and chemical particles called aerosols. Carbon dioxide (CO2) is among the better known substances that affect the climate, but there are many others, and we know little about them or how they act. What are these particles made of? How do they interact? How far do they travel? What do they have to do with precipitation and, more broadly, with the earth’s climate? These are some of the questions that Schmale, a researcher with the Paul Scherrer Institute in Switzerland, is looking at. Schmale has been testing the atmosphere for aerosols constantly since the expedition got under way on 20 December 2016.
La scientifique qui veut faire parler l’air de l’Antarctique
Le rôle des aérosols dans la mécanique climatique est encore largement méconnu. Julia Schmale, chercheuse à bord de l’expédition ACE, mesure la présence de ces particules tout autour du grand continent blanc, là où leurs interactions n’ont pas encore été modifiées par l’impact des activités humaines.
Contrairement à ce que suggère notre intuition, l’air est loin d’être vide. Il contient et transporte des millions de particules biologiques et chimiques, appelées aérosols. Si le dioxyde de carbone (CO2) est l’une des substances les plus connues influant sur le climat, il en existe beaucoup d’autres, dont les rôles et les caractéristiques restent à découvrir. De quoi ces particules sont-elles faites? Comment interagissent-elles? Jusqu’où se dispersent-elles? Quel lien ont-elles exactement avec les précipitations et, plus généralement, le climat terrestre? Voilà quelques-unes des questions auxquelles s’intéresse Julia Schmale, chercheuse à l’Institut Paul-Scherrer, en Suisse. A bord de l’Akademik Treshnikov depuis le départ de l’expédition ACE, le 20 décembre 2016, elle mesure en continu la présence de ces aérosols dans l’atmosphère.
“This expedition represents a unique opportunity in terms of atmospheric science,” said Schmale. “Not only have we been able to collect data all around Antarctica over an entire season, but we were also able to take measurements in places like Mount Siple, and that was a first.”
Most of all, Antarctica is ideal for Schmale because it is untouched by the pollution generated by human activities. “The air above the Southern Ocean is still in a preindustrial state,” said the researcher. “It’s the only place where we can observe interactions between totally natural aerosols.”
«En matière de science atmosphérique, cette expédition est une opportunité unique, explique-t-elle. Elle nous permet non seulement d’obtenir des données sur tout le pourtour de l’Antarctique et au cours d’une saison entière, mais également de couvrir des lieux, comme le Mont Siple, qui n’avaient encore jamais fait l’objet de ces mesures».
Au-delà, l’Antarctique lui offre le terrain idéal, loin de la pollution générée par les activités humaines. «L’air de l’océan austral est encore à un état préindustriel, décrit la chercheuse. C’est le seul endroit où l’on peut observer les interactions entre aérosols totalement naturels».
For three months, a large shipping container has served as her lab. It sits on the ship’s deck and is painted in the Swiss colors. At first glance, it looks rather cramped, but the space is abuzz with science. The impressive collection of sophisticated instruments is used to analyze a number of parameters and components of the atmospheric air, which is collected non-stop through three tubes sticking out of the lab’s roof.
Pour trois mois, son laboratoire a été déplacé dans un container. Installé sur le pont du bateau et peint aux couleurs de la Suisse, cet abri temporaire apparaît d’abord plutôt exigu. A l’intérieur pourtant, la science y a toute sa place. Une panoplie impressionnante d’instruments sophistiqués analyse plusieurs des paramètres et composantes de l’air ambiant, pompé sans discontinuer à travers trois tuyaux débouchant sur le toit.
The first instrument counts the number of particles per cm3. On Saturday morning, while the ship sailed along the north coast of South Georgia Island, the little screen showed around 200 units. “It’s a very pure environment,” said the researcher. “In an urban area like Zurich, you’d easily get 10,000 units. When we were on Antarctica itself during the second leg of the expedition, we recorded values of 100 aerosols per cm3, which is very close to what you find in a cleanroom.”
Next comes a mass spectrometer, used to determine the composition of these aerosols. Here we see that sea salt is a major component. Which makes sense, since we’re in the middle of the ocean. There is also ammonia, which comes from animal populations on the land nearby – mostly large penguin colonies. The air also contains organic particles. “These particles don’t come from the natural world, but from the ship’s fuel,” said Schmale. “The readings vary with the wind direction. And so we need to control for that in the study.”
Comme dans une salle stérile
Un premier appareil compte le nombre de particules présentes par cm3. En ce samedi matin, alors que nous naviguons le long des côtes nord de l’île South Georgia, le petit écran indique environ 200 unités. «C’est un environnement très pur, commente la scientifique. Dans une agglomération comme Zurich, par exemple, on atteint facilement les 10’000 unités. A l’inverse, lorsque nous étions sur le continent antarctique, lors de la deuxième étape de l’expédition, nous avons enregistré des valeurs de 100 aérosols par cm3, très proches de celles d’une salle stérile».
A côté, un spectromètre de masse analyse la composition de ces aérosols. Ici, on voit qu’une large proportion est faite de sel de mer. Assez logique lorsqu’on se trouve en plein océan… Il y a aussi de l’ammoniaque, provenant des regroupements d’animaux sur les terres avoisinantes – essentiellement les grandes colonies de manchots. Enfin, on trouve également des particules organiques. «Celles-ci ne viennent pas d’un milieu naturel, précise la chercheuse, mais du carburant du bateau. Nous en enregistrons plus ou moins suivant la direction du vent. Nous devons en tenir compte dans l’étude.»
Schmale is also observing the particles’ size. “We’re really interested in the ones that measure less than a micrometer,” said Schmale. “That’s because the smaller the aerosols are, the longer they remain suspended in the air and the farther they are carried. They tend to clump more quickly too, which means they’re more important in the process of cloud formation.”
Schmale uses a cloud simulator to learn more about this phenomenon. This device reproduces the conditions under which water droplets form in the upper atmosphere. “I want to discover which particles play the biggest role in this process.”
Enfin, la taille de ces particules fait également partie des paramètres observés. «Nous nous intéressons à celles qui mesurent moins d’un micromètre, raconte Julia Schmale. Car lorsqu’ils sont de petite taille, les aérosols se sédimentent moins vite et voyagent donc sur de plus grandes distances. Ils s’agglutinent aussi plus rapidement et ont ainsi un rôle plus important dans la formation des nuages».
Mieux comprendre ce phénomène est précisément le rôle du «cloud simulator», un appareil qui reproduit les conditions dans lesquelles les gouttes d’eau se forment dans la haute atmosphère. «L’idée est de voir quelles particules sont les plus influentes dans ce processus».
Making rain
The experiment is run in a vertical tube under conditions of supersaturation – with relative humidity of 100.3%. A particle with all water removed from its surface is released from above. At the bottom of the device, a laser is turned on. The laser can detect whether a droplet begins to form around the particle as water molecules accumulate on its surface. “It depends on the size of the aerosol and its makeup,” said Schmale. “Water doesn’t latch on to salt, for example, but is absorbed.”
Schmale’s study has a number of practical applications. Her measurements will be used in collaboration with a team of Israeli researchers in an effort to improve the precision of satellite data on clouds throughout the Southern Ocean region and over all four seasons. In a study run with English researchers, her readings will help test general climate models, which currently lack data on the effects of aerosols on the cloud cover and climate in the Antarctic. More broadly, the researchers’ hope to be able to quantify the impact of human-caused pollution on climate change with greater accuracy.
Fabriquer des gouttes de pluie
L’expérience se déroule dans un tube vertical, où l’on crée des conditions de supersaturation, soit 100,3% d’humidité relative. Depuis le haut, on envoie une particule débarrassée au préalable de toute trace d’eau à sa surface. Au fond de l’appareil, un laser est enclenché. Le rayon détecte si une goutte a commencé à se former autour de la particule par accumulation des molécules d’eau à sa surface. «Cela dépend de la taille de l’aérosol, mais aussi de sa composition, conclut Julia Schmale. Sur du sel, par exemple, l’eau ne va pas s’accrocher, mais être absorbée.»
Ces mesures atmosphériques trouveront différentes applications. Elles seront par exemple utilisées en collaboration avec une équipe de scientifiques israéliens pour améliorer la précision des données satellites sur les nuages, dans toutes les régions de l’océan austral et à toutes saisons. Elles serviront également à évaluer – cette fois dans le cadre d’une étude menée avec des chercheurs anglais – les modèles climatiques généraux, qui manquent actuellement de données sur les effets des aérosols sur la couverture nuageuse et le climat de l’Antarctique. De manière générale, le but des scientifiques est de pouvoir mieux quantifier l’impact des émissions d’origine l’humaine sur le changement climatique.
