Pour la première fois, une équipe de recherche internationale dirigée par l'Institut Leibniz pour la recherche troposphérique (TROPOS) a étudié les particules de nucléation de la glace atmosphérique (INP) dans les carottes de glace, qui peut fournir des informations sur le type de couverture nuageuse dans l'Arctique au cours des 500 dernières années. Ces INP jouent un rôle important dans la formation de glace dans les nuages, et ont ainsi une influence majeure sur le climat. Jusque là, cependant, il n'y a que quelques mesures qui ne datent que de quelques décennies. La nouvelle méthode pourrait fournir des informations sur les nuages ​​historiques à partir des archives climatiques et ainsi combler de grandes lacunes dans les connaissances dans la recherche climatique.

L'équipe de TROPOS, l'Université de Copenhague, l'Université de Berne et l'Institut Paul Scherrer écrit dans la revue Lettres de recherche géophysique que les découvertes sur les variations des concentrations de particules nucléant la glace dans l'atmosphère au cours des siècles aideraient les chercheurs en climatologie à mieux comprendre les futurs changements climatiques.

Les archives climatiques sont importantes pour reconstruire le climat passé et faire des déclarations sur l'évolution du climat à l'avenir. En Europe, le temps n'a été observé et enregistré régulièrement que depuis environ 300 ans. Pour l'heure d'avant et pour les emplacements sans station météo, cependant, la recherche dépend des conclusions des archives naturelles. La recherche paléoclimatique utilise une grande variété d'archives naturelles telles que les cernes des arbres, carottes de glace ou sédiments.

Au cours des dernières décennies, un certain nombre de méthodes ont été développées et affinées qui utilisent des indicateurs indirects (proxies climatiques) pour tirer des conclusions sur les facteurs climatiques tels que la température, précipitation, éruptions volcaniques et activité solaire. Les nuages ​​sont responsables des précipitations, entre autres, mais ils sont très insaisissables et donc difficiles à étudier. Mais le nombre, le type et l'étendue des nuages ​​et leur teneur en glace ont une grande influence sur le bilan radiatif de l'atmosphère, la température au sol et les précipitations, et les informations sur les paramètres affectant les nuages ​​sont donc importantes pour la reconstruction du climat.

Une méthode pour améliorer nos connaissances sur les nuages ​​et leur rôle dans l'histoire du climat est maintenant présentée par une équipe de recherche internationale d'Allemagne, Danemark et Suisse. Selon eux, l'équipe a reconstitué pour la première fois les concentrations de particules de nucléation de glace (INP) à partir de carottes de glace. Ces mesures pourraient être utilisées pour reconstruire la couverture nuageuse à l'avenir.

"La formation de glace dans les nuages ​​à phases mixtes est principalement causée par la formation de glace hétérogène, c'est-à-dire que les INP sont nécessaires pour stimuler la congélation des gouttelettes de nuage en surfusion. Le nombre et le type de ces particules influencent donc les précipitations, durée de vie et propriétés de rayonnement des nuages. Dans le laboratoire, nous avons pu montrer que deux types de particules sont particulièrement adaptées à cet usage :Les poussières minérales du sol ainsi que diverses particules biologiques telles que les bactéries, spores fongiques ou pollen, " explique le Dr Frank Stratmann, responsable du groupe de travail Clouds de TROPOS.

Les carottes de glace sont souvent utilisées pour reconstituer divers paramètres climatiques tels que la température, des précipitations ou des éruptions volcaniques sur des milliers d'années. Pour l'étude maintenant publiée, l'équipe a pu puiser dans des parties de deux carottes de glace de l'Arctique :La carotte Lomo09 a été forée sur le glacier Lomonosovfonna au Svalbard à une altitude de 1200 mètres en 2009. La carotte de glace EUROCORE a été minutieusement extraite en 1989 du sommet de la La calotte glaciaire du Groenland à plus de 3000 mètres d'altitude.

Les échantillons congelés de ces carottes ont été envoyés à Leipzig, où ils ont été examinés pour INP. De petits échantillons de glace ont été fondus et l'eau de fonte a été divisée en plusieurs petites gouttes d'un et 50 microlitres. Ces gouttes ont été placées dans deux montages expérimentaux, chacun avec près de 100 petits creux, et ont ensuite été refroidis de manière contrôlée. Ces configurations ont déjà été utilisées dans d'autres études :le Leipzig Ice Nucleation Array (LINA) et le Ice Nucleation Droplet Array (INDA) sont des instruments dans lesquels les gouttes sont refroidies de manière contrôlée. A travers une vitre, les chercheurs peuvent observer à quelle température combien de gouttes gèlent. Le nombre de gouttes congelées est ensuite converti en concentration de particules de nucléation de glace. « En 2015, Des chercheurs américains ont dérivé les concentrations d'INP atmosphérique à partir de la neige et de l'eau de précipitation. Ce qui fonctionne pour les précipitations devrait également fonctionner pour les échantillons de glace était notre approche. Et nous avons donc été les premiers à montrer que les concentrations historiques de noyaux de glace peuvent également être extraites des carottes de glace, " déclare Markus Hartmann de TROPOS, qui a mené les investigations dans le cadre de sa thèse de doctorat.

Cela ouvre de nouvelles possibilités pour la recherche paléoclimatique. Depuis les années 1930, d'innombrables carottes de glace ont été extraites des glaciers du monde entier et le climat du passé a été reconstitué. Les informations sur la phase cloud (c'est-à-dire, qu'il contienne de la glace ou de l'eau liquide) n'était pas disponible. L'étude des chercheurs polaires et atmosphériques est un premier pas dans cette direction. Comme l'équipe ne disposait pas d'une carotte de glace continue, il n'a pu reconstituer que les particules de nucléation de glace d'années individuelles de la période 1735 à 1989 au Groenland et 1480 à 1949 au Svalbard. Globalement, il n'y avait aucune tendance dans les particules de nucléation de glace au cours du dernier demi-millénaire. "Toutefois, l'Arctique ne se réchauffe considérablement que depuis environ 25 ans. La glace analysée maintenant s'est formée avant le début de ce fort réchauffement. Les deux mesures d'une carotte de glace continue et de glace plus récente seraient donc souhaitables, " ajoute Markus Hartmann.

Le fait que l'humanité ait causé le réchauffement climatique par les émissions est incontesté parmi les chercheurs. Cependant, on ne sait pas à quel point les nuages ​​dans l'atmosphère ont été modifiés en conséquence. Les chercheurs espèrent donc également obtenir des informations importantes à partir d'enquêtes sur les particules de nucléation de la glace dans l'air. En automne/hiver 2016, une équipe de l'Université de Pékin, TROPOS, l'Université de Göteborg et l'Académie chinoise des sciences, mesuré les concentrations de particules nucléant la glace dans l'air de la capitale chinoise Pékin. Cependant, ils n'ont pas pu prouver le moindre lien avec le niveau élevé de pollution de l'air là-bas.

"Nous supposons donc que les particules de nucléation de la glace à Pékin proviennent davantage de sources naturelles, comme les tempêtes de poussière ou la biosphère, qui sont toutes deux connues comme sources de particules de nucléation de glace, que des processus de combustion anthropiques, " dit le Dr Heike Wex de TROPOS. Mais il s'agit d'un instantané d'un lieu et il ne faut pas oublier l'influence indirecte de l'homme :les changements d'utilisation des terres ou les sécheresses ont un impact sur les poussières dans l'atmosphère et sur la biosphère, ce qui à son tour peut conduire à des changements dans les nuages." Afin de mieux comprendre les effets de l'humanité sur l'atmosphère, les chercheurs sur les nuages ​​mesurent à la fois aux points chauds de la pollution atmosphérique comme les métropoles des pays émergents et dans des régions relativement propres comme les régions polaires.

Jusque là, on sait relativement peu de choses sur la quantité, propriétés et sources de particules nucléant la glace dans l'Arctique, bien qu'ils soient un facteur important dans la formation des nuages ​​et donc pour le climat là-bas. Les séries temporelles longues à résolution temporelle mensuelle ou hebdomadaire sont pratiquement inexistantes, mais essentiel pour étudier les effets saisonniers. Dans la revue Chimie et physique de l'atmosphère , une revue Open Access de l'Union européenne des géosciences (EGU), une équipe internationale, également animé par TROPOS, a récemment publié un aperçu des variations saisonnières des concentrations de noyaux de glace dans l'Arctique. Des échantillons de quatre stations de recherche dans l'Arctique de 2012/2013 et 2015/2016 ont été étudiés au Leipzig Cloud Laboratory de TROPOS :Alert in Canada, Ny-Ålesund au Spitzberg (Norvège), Utqiagvik (Barrow) en Alaska (États-Unis) et Villum (Station Nord) au Groenland (Danemark).

"Cela nous donne un aperçu des variations entre les saisons :les plus abondantes sont les particules de nucléation de glace dans l'air de la fin du printemps jusqu'au début de l'automne, les moins se trouvent en hiver et au début du printemps. Cela influence la façon dont le type de couverture nuageuse dans l'Arctique change au cours de l'année et donc l'influence des nuages ​​sur le réchauffement de l'Arctique, " explique Heike Wex. Les chercheurs espèrent que les études conduiront à de meilleures prévisions sur le changement climatique, étant donné que les modèles climatiques sont actuellement incapables de refléter adéquatement le réchauffement de l'Arctique, ce qui conduira à des incertitudes allant de l'élévation du niveau de la mer aux changements climatiques régionaux en Europe.

Les processus complexes de rétroaction entre la biosphère et le climat feront également partie de l'expédition MOSAiC :En septembre 2019, le brise-glace de recherche allemand Polarstern, dirigé par l'Institut Alfred Wegener (AWI), dérivera dans l'océan Arctique pendant un an. Fourni par des brise-glaces et des avions supplémentaires, Au total, 600 personnes de 17 pays participeront à l'expédition MOSAiC. Avec un partenaire international, l'AWI est responsable des cinq principaux domaines de recherche :physique de la glace de mer et couverture neigeuse, processus dans l'atmosphère et dans l'océan, cycles biogéochimiques et l'écosystème arctique. TROPOS jouera un rôle de premier plan dans deux mesures centrales :un conteneur de télédétection pour l'ensemble de la dérive des glaces explorera en continu la distribution verticale des aérosols et des nuages ​​à l'aide du lidar, radars et radiomètres micro-ondes. D'autre part, un ballon captif mesurera la couche limite arctique aussi précisément que possible au cours d'une section de vol. Les deux mesures permettent plus ou moins la détection directe de la distribution verticale des particules de nucléation de la glace. En outre, TROPOS étudiera à nouveau la microcouche de surface de la mer et des étangs de fonte, qui est susceptible d'être une source majeure de particules de nucléation de glace dans l'Arctique.

Depuis 2016, le Centre de recherche collaboratif TR172 "Arctic Amplification" de la Fondation allemande pour la recherche (DFG) a étudié les raisons pour lesquelles l'Arctique se réchauffe beaucoup plus que le reste de la Terre. En plus de l'Université de Leipzig, le réseau de recherche comprend également les universités de Brême et de Cologne, l'Institut Alfred Wegener, le Centre Helmholtz pour la recherche polaire et marine (AWI) et l'Institut Leibniz pour la recherche troposphérique (TROPOS) à Leipzig. Tilo Arnhold