L'atmosphère du centre de l'Arctique est polluée par les fines poussières de Sibérie et d'Amérique du Nord. C'est le résultat d'une évaluation préliminaire des premières mesures lidar effectuées par l'Institut Leibniz pour la recherche troposphérique (TROPOS) lors de l'expédition MOSAiC d'un an à bord du RV Polarstern. Pour la première fois, un lidar multi-longueurs d'onde a été utilisé pendant la nuit polaire dans le centre de l'Arctique, qui peut mesurer les particules de poussière à des altitudes allant jusqu'à 14 kilomètres avec des impulsions laser du sol.

Les premières données montrent plusieurs couches de poussières d'origine humaine et des incendies de forêt à des altitudes de 5, 6 et 12 kilomètres. Les données indiquent que la haute atmosphère de la région autour du pôle Nord est plus polluée en hiver qu'on ne le supposait auparavant. Dans les mois à venir, l'expédition internationale MOSAiC menée par l'Institut Alfred Wegener, le Centre Helmholtz pour la recherche polaire et marine (AWI), fournira des données sur le changement climatique dans le centre de l'Arctique, pour laquelle presque aucune mesure n'est disponible en raison des conditions extrêmes de la nuit polaire.

Le 4 octobre, le navire de recherche Polarstern a atteint la banquise à 85° Nord et 137° Est avec laquelle le brise-glace et un vaste réseau de mesure sur la glace ont l'intention de dériver à travers le centre de l'Arctique au pôle Nord pendant un an. Avec le départ officiel de l'expédition MOSAiC, le conteneur OCEANET à bord de Polarstern a également commencé ses travaux. "Avec les conteneurs de nos partenaires américains et suisses, notre conteneur est situé sur le pont avant du RV Polarstern. J'ai pu mettre notre laser en service immédiatement après la fin des travaux de chargement. L'objectif est de mesurer les particules en suspension dans l'atmosphère au-dessus du navire 24 heures sur 24 pendant un an, " rapporte le Dr Ronny Engelmann de TROPOS, qui est en charge des mesures à bord pendant la première étape du voyage jusqu'à son remplacement en décembre 2019.

La recherche atmosphérique innove ainsi :« Le fonctionnement de notre système de télédétection laser PollyXT dans le centre de l'Arctique est unique à ce jour. Jamais auparavant l'atmosphère de cette région reculée n'avait été étudiée avec un lidar multi-longueurs d'onde fonctionnant avec la lumière. de différentes longueurs d'onde allant de l'ultraviolet à l'infrarouge.C'est seulement avec cette combinaison qu'il est possible de déterminer différentes particules en suspension qui peuvent provenir de diverses sources telles que les feux de forêt, cendre volcanique, pollution anthropique de l'air ou de la surface de la mer, " explique le Dr Albert Ansmann, chef du groupe télédétection au sol à TROPOS.

Depuis plus de 20 ans, TROPOS développe et exploite des dispositifs lidar pour étudier les propriétés des particules en suspension, connu sous le nom d'aérosols. Ces appareils balayent l'atmosphère au-dessus du sol comme un radar lumineux avec une lumière laser et sont donc appelés lidars. Selon la surface et la forme des particules, la lumière laser est réfléchie différemment. Si non seulement le temps de transit et la quantité de lumière réfléchie sont mesurés, mais aussi sa polarisation, on peut alors tirer des conclusions sur les propriétés des particules. L'équipe du RV Polarstern utilise la dernière génération du système lidar mobile PollyXT, qui émet des impulsions laser d'ultraviolet (longueur d'onde de 355 nanomètres), lumière verte (longueur d'onde de 532 nanomètres) et infrarouge (longueur d'onde de 1064 nanomètres). Il est reçu sur 13 canaux et couvre ainsi un large spectre lumineux jusqu'à l'infrarouge.

Étant donné que les couches d'air au niveau du sol dans l'Arctique sont particulièrement importantes pour la recherche atmosphérique, il était équipé d'un canal en champ proche pour collecter des données de 50 m au-dessus du navire à des altitudes de 35 km. En outre, il mesure avec deux champs de vision afin de mieux détecter la diffusion de la lumière dans les nuages. Cette technologie à double champ de vision, développé par TROPOS en collaboration avec l'Académie nationale des sciences de Biélorussie, permet de déterminer la taille et le nombre de gouttes de nuages, un paramètre important pour les modèles climatiques. Dans le monde, il n'existe actuellement que deux appareils de ce type. "L'autre appareil se trouve dans notre conteneur LACROS à Punta Arenas, Chili, où nous étudions l'atmosphère près de l'Antarctique à la pointe sud de l'Amérique du Sud avec l'Université de Magellan (UMAG) et l'Université de Leipzig dans le cadre de la campagne de mesure DACAPO-PESO. En raison de la structure identique, les données des deux régions polaires peuvent être facilement comparées. Nous attendons les résultats avec impatience, " dit Ansmann.

MOSAiC utilise un grand nombre d'instruments de mesure de pointe qui se complètent et, ensemble, devraient fournir une image aussi complète que possible du climat actuel dans la région autour du pôle Nord. "Le système laser Polly-XT offre une vue sans précédent de la distribution verticale et temporelle des particules d'aérosols dans l'Arctique sous un ciel sans nuages. Déjà le matin du 5 octobre, il s'éclaircit et offrit au laser une vue imprenable sur l'atmosphère. Les observations ont donné des résultats surprenants :l'atmosphère du site éloigné à environ 1000 kilomètres au nord de la Sibérie était fortement polluée par des particules en suspension provenant du sol jusqu'à une hauteur de 12 kilomètres. Cette pollution ne peut pas provenir de sources locales, mais ne peut atteindre les hautes latitudes que par transport longue distance, " rapporte le Dr Holger Baars, qui contribue à l'évaluation des données au TROPOS à Leipzig.

Afin de limiter les sources de pollution de l'air dans l'Arctique, des simulations de modèles météorologiques ont été évaluées et l'origine de l'air a été retracée sur 10 jours. "A l'aide de trajectoires dites en arrière, nous pouvons déterminer d'où vient l'air mesuré au-dessus du navire. Il a été montré que les masses d'air du sud de la Russie passaient par le sud de la Sibérie à la lisière des déserts d'Asie centrale via le Kamtchatka à l'est avant d'atteindre l'Arctique via l'Alaska. Cela correspond à l'aérosol des feux de forêt, la pollution industrielle et la poussière du désert que nous voyons dans les données lidar. Et cela correspond à la thèse selon laquelle, en hiver polaire, l'Arctique agit comme un grand vortex « aspirant » la pollution de l'air provenant de grandes parties de l'hémisphère nord, " explique Martin Radenz de TROPOS, qui a créé la simulation de masse d'air.

Pratiquement aucune autre région sur terre ne s'est réchauffée autant que l'Arctique au cours des dernières décennies. Depuis 2016, le Transregio 172 "Arctic Climate Change" de la Fondation allemande pour la recherche (DFG) sous la direction de l'Université de Leipzig a étudié le rôle des nuages ​​et les processus associés dans l'atmosphère arctique. Il y avait de fortes différences dans la formation de glace dans les nuages ​​selon que les nuages ​​atteignent le sol ou non. En réalité, les mesures lidar TROPOS lors de la campagne d'essais MOSAiC PASCAL à l'été 2017 ont montré la formation de glace à des températures étonnamment chaudes.

"Le fait que nous trouvions les nuages ​​de glace les plus chauds de l'Arctique semble d'abord paradoxal, mais peut peut-être s'expliquer par un jeu unique de température, humidité et aérosol d'origine biologique, " dit le professeur Andreas Macke, Directeur de TROPOS et scientifique en chef de l'expédition PASCAL. Les questions de formation des nuages ​​sont au centre des recherches actuelles afin de découvrir comment les particules de nucléation de la glace (INP) influencent la formation des nuages ​​dans l'Arctique et comment celles-ci influencent à leur tour le réchauffement observé.

MOSAiC signifie "Observatoire dérivant multidisciplinaire pour l'étude du climat arctique". MOSAiC comprend également une vingtaine de chercheurs de Leipzig. L'Institut Leibniz pour la recherche troposphérique (TROPOS) et l'Université de Leipzig sont tous deux en route dans l'Arctique avec des instruments élaborés. L'expédition MOSAiC menée par l'Institut Alfred Wegener, Centre Helmholtz pour la recherche polaire et marine (AWI), est associée à des défis sans précédent.

MOSAiC dispose d'un budget d'environ 140 millions d'euros. Au cours de l'année, environ 300 scientifiques de 20 pays seront à bord. Ensemble, ils veulent explorer l'ensemble du système climatique du centre de l'Arctique pour la première fois. Ils recueilleront des données dans les cinq sous-zones de l'atmosphère, glace de mer, océan, l'écosystème et la biogéochimie pour comprendre les interactions qui façonnent le climat arctique et la vie dans l'océan Arctique.