La couche d'aérosol de tropopause asiatique (ATAL) est située à une hauteur de douze à 18 kilomètres au-dessus du Moyen-Orient et de l'Asie. Cette accumulation d'aérosols dans la mousson asiatique a été découverte pour la première fois en 2011. Sa composition et son effet, cependant, ont été inconnus jusqu'à présent. Un consortium européen de scientifiques a maintenant découvert que cette couche est constituée de nitrate d'ammonium cristallin. Dans la chambre à brouillard AIDA, des chercheurs en climatologie de l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) ont démontré comment cette substance se forme dans la haute troposphère. Les résultats sont rapportés dans Géosciences de la nature .

En utilisant une combinaison intelligente de télédétection, mesures in situ, calculs de modèles météorologiques, mesures de laboratoire spécifiques, et des simulations numériques détaillées, l'équipe a étudié la distribution et la composition des aérosols dans l'ATAL. Les aérosols sont les plus petites particules en suspension provenant de diverses sources naturelles et anthropiques. Dans l'atmosphère, les aérosols agissent comme des noyaux de condensation auxquels la vapeur d'eau gazeuse se fixe et, Donc, forme des gouttelettes de nuages. Pour la première fois, un avion de recherche a survolé les niveaux supérieurs de la mousson asiatique pour étudier des processus clés d'importance mondiale. Les différentes méthodes et instruments se sont complétés pour vérifier les résultats mesurés. Les scientifiques du KIT, Forschungszentrum Jülich (FZJ), Université Johannes Gutenberg et Institut Max Planck de chimie, tous deux à Mayence, Institut Alfred Wegener, l'Université de Wuppertal, Laboratoire de Métérologie Dynamique, Paris, et l'Istituto di Scienze dell"Atmosfera e del Clima, Rome, pris part.

"Étonnamment, nous avons détecté du nitrate d'ammonium cristallin comme constituant principal dans une grande partie de l'ATAL, " déclare le Dr Michael Höpfner de la Division des gaz traces atmosphériques et de la télédétection de l'Institut de météorologie et de recherche sur le climat (IMK-ASF) du KIT. Les résultats inattendus mesurés, entre autres, par l'instrument GLORIA du KIT et du Forschungszentrum Jülich ont ensuite été confirmés par des chercheurs en climatologie de la chambre à nuages ​​AIDA du KIT :« Nos expériences ont révélé que, contrairement à l'opinion dominante, les gouttelettes de nitrate d'ammonium liquide cristallisent en particules solides à moins 50 degrés en présence de petites, principalement des pollutions soufrées. Ces particules solides continuent d'exister même dans les conditions de température et d'humidité de la haute troposphère, " déclare le Dr Robert Wagner de la Division de la recherche sur les aérosols atmosphériques de l'Institut de météorologie et de recherche climatique du KIT. Avec des observations satellitaires, les chercheurs ont en effet trouvé de grandes quantités d'aérosols de nitrate d'ammonium au-dessus de l'Asie. Ces observations remontent à l'année 1997, alors que l'ATAL n'était pas encore censée exister.

"Avec ça, nous avons résolu l'énigme de longue date de la composition d'ATAL, " dit Michael Höpfner. Jusqu'à présent, il a été considéré comme hautement improbable que cet aérosol existe à des altitudes aussi élevées, parce que le gaz précurseur d'ammoniac est éliminé très rapidement de l'atmosphère par la pluie. "Mais nous avons détecté des concentrations d'ammoniac sans précédent pendant la mousson asiatique :les valeurs sont jusqu'à cinquante fois plus élevées que lors des mesures précédentes, " ajoute Höpfner. Cet ammonium provient principalement de l'agriculture, notamment de l'élevage et de la fertilisation. Les émissions d'ammoniac les plus élevées se trouvent actuellement en Asie. Pendant la mousson, les masses d'air polluées sont transportées de la surface terrestre jusqu'à des hauteurs allant jusqu'à 18 km. Ici, l'ammoniac réagit au nitrate d'ammonium, un aérosol qui influence à la fois la formation et les propriétés des nuages.

"C'est maintenant pour la première fois que nos données prouvent que les aérosols de nitrate d'ammonium sont omniprésents dans la haute troposphère pendant la mousson asiatique, " dit Höpfner. Ces résultats sont pertinents en particulier pour les interactions des nuages ​​et des aérosols, qui représentent l'une des plus grandes incertitudes de la modélisation climatique. De plus, les résultats prouvent que l'ammoniac émis au sol a une grande influence sur les processus dans la haute troposphère et potentiellement sur le climat asiatique.

À la recherche de l'ammoniac :l'instrument de mesure GLORIA et la chambre à nuage AIDA

La campagne d'avions faisait partie du projet StratoClim dans lequel 37 organisations scientifiques de onze pays européens, les Etats Unis., Bangladesh, Inde, et le Népal collaborent sous la direction de l'Institut Alfred Wegener, Centre Helmholtz pour la recherche polaire et marine. L'avion à haute altitude M55-Geophysika a transporté 25 instruments spécialement développés à des hauteurs supérieures à 20 km, environ le double de la hauteur habituellement atteinte par les avions. Un instrument majeur à bord de Geophysika était le spectromètre infrarouge GLORIA (Gimballed Limb Observer for Radiance Imaging of the Atmosphere) mesurant la distribution en hauteur d'une variété de gaz traces le long de la trajectoire de vol. Les mesures pendant les vols se sont principalement concentrées sur l'ammoniac, car il est largement impliqué dans la formation de particules d'aérosol. GLORIA est actuellement le seul instrument capable de mesurer l'ammoniac à ces hauteurs.

Basé sur les données mesurées par l'instrument satellite MIPAS (Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding) de l'IMK-ASF du KIT pour la distribution en hauteur de plus de 30 gaz traces entre 2002 et 2012, les scientifiques ont pour la première fois acquis la distribution mondiale de l'ammoniac et du nitrate d'ammonium en même temps. Pour leurs études, ils ont également utilisé l'installation AIDA (Aerosol Interactions and Dynamics in the Atmosphere) sur le campus nord de KIT. C'est la seule installation au monde, où les processus aérosols et climatiques peuvent être étudiés dans des conditions atmosphériques. Dans l'établissement, toutes les conditions de température et de pression dans la basse et moyenne atmosphère peuvent être simulées.