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Activité Solaire et Nitrate dans la Glace polaire : Fin d’une polémique vieille de plus de 35 ans ?

par LEGRAND Michel - 26 avril 2016 - ( maj : 26 avril 2016 )

Dans les années 80 plusieurs publications Américaines affirment que le nitrate de la neige Antarctique, mesuré à l’époque par colorimétrie, archive plusieurs aspects de l’activité solaire passée (Zeller et al., GRL, 1986), des éruptions de protons solaires (SPE) de quelques jours à une baisse moyenne de l’activité solaire comme durant le dernier minimum de Maunder (1640-1715 AD) ou encore suivant le cycle de 11 ans. Que ce soit suite à l’énergie déposée par bombardement de particules solaires ou à l’augmentation du rayonnement UV, l’activité solaire module en effet dans une certaine mesure la production de NOx (et donc de nitrate) à partir de N2 et de N2O dans une bonne partie de la moyenne et haute atmosphère.

En 1979 Robert Delmas achète le premier chromatographe ionique commercialisé par Dionex qui sera mis au point pour l’analyse des traces dans la neige Antarctique (Legrand, Thèse d’état, 1985). Révolutionnaire à l’époque, cet outil permets la mesure rapide de différentes espèces chimiques et ainsi d’aborder de nombreuses questions relatives à la glaciochimie dont celle de l’origine du nitrate dans la neige. L’article de Legrand et Delmas (Tellus, 1986) lance le débat, nos mesures de nitrate de la glace Antarctique ne confirmant aucunes des conclusions précédentes.

En post-doc à Oslo, j’utilise le modèle de chimie-transport développé par les Norvégiens pour l’étude de l’ozone stratosphérique et nous démontrons qu’une modulation des nitrates antarctique par le cycle de 11 ans est une hypothèse peu réaliste (Legrand et al., Tellus 1989). En effet les simulations suggèrent une variation du nitrate entre un minimum et un maximum solaire qui atteint au mieux 10% dans la haute stratosphère et devient insignifiante à la tropopause polaire. Par ailleurs, comme discuté par Legrand and Kirchner (JGR Atmosphère, 1990), pour un événement protonique solaire majeur comme celui d’Aout 1972 qui déposa son énergie vers 40 km d’altitude, il faudrait attendre 1974 pour que la perturbation de nitrate associée (très affaiblie) atteigne la troposphère, donc incompatible avec la conclusion de Zeller et al. (Tellus, 1986) affirmant détecter cet évènement en Janvier 1973 en Antarctique (comme son nom l’indique, la stratosphère ne favorise pas les transports verticaux). Une autre objection à la possibilité que la glace antarctique enregistre un événement de type SPE est plus tard formulée par Wolff et al. (ACP, 2008) qui argumentent sur la difficulté qu’un événement aussi bref soit détectable dans la glace vu l’importance des effets post-déposition agissant sur l’acide nitrique.

Début des années 2000, le CNES nous demande une expertise bibliographique suite à la parution au JGR Space Physics d’un article (Mc Cracken et al., 2001) affirmant retrouver avec le nitrate de la glace du Groenland près de 70 événements protoniques solaires dont un exceptionnel, l’événement Carrington en 1859. Le CNES s’interroge ici sur les conséquences de ces événements répétés en terme de vieillissement du matériel dans l’espace. Dans notre rapport au CNES nous expliquons qu’en fait les pics de nitrate détectés au Groenland sont associés à du formiate d’ammonium et ont pour origine des feux de forêts boréaux (Legrand and De Angelis 1996 ; Savarino and Legrand 1998, JGR Atmosphere). Une aventure similaire arrive à Eric Wolff présent à une réunion de l’International Space Science Institute sur "Extreme solar flares as drivers of space weather : from science towards reliable statistics". Avec Eric, nous décidons de montrer la signature chimique (ammonium, formiate, et nitrate) d’un événement de feux de forêt daté à 1863 dans la glace de Summit par Legrand and De Angelis (1996), qui pourrait être celui de 1859 attribué par Mc Cracken et al. (2001) à l’événement Carrington (Wolff et al., GRL, 2012).

L’affaire semblait entendue lors qu’un article publié par Smart et al. (2014) au JGR Space Physics critique Wolff et al. (2012) suggérant cette fois que les méthodes de mesure du nitrate dans la glace n’auraient pas suffisamment de résolution temporelle pour identifier en particulier le SPE de 1859 ! Au même temps, Duderstad et al . (2014) utilisant le modèle chimie-transport WACCM du NCAR aboutissent à des conclusions similaires à celles de Legrand et al. (1989) avec le modèle Norvégien. Les auteurs de Wolff et al. (2012) décident de répondre à cette critique de Smart et al., en s’adressant cette fois aussi au JGR Space Physics (Wolf et al., 2016). Smart et al. (2016) nous répondent dans le même volume (je vous laisse juge…).

Références :

Wolff, E.W., M. Bigler, M.A.J. Curran, J.E. Dibb, M.M. Frey, M. Legrand, and J.R. McConnell, The Carrington event not observed in most ice core nitrate records, Geophys. Res. Lett., 39, L08503, doi:10.1029/2012GL051603, 2012.

Duderstadt, K. A., J. E. Dibb, C. H. Jackman, C. E. Randall, S. C. Solomon, M. J. Mills, N. A. Schwadron, and H. E. Spence (2014), Nitrate deposition to surface snow at Summit, Greenland, following the 9 November 2000 solar proton event, 
J. Geophys. Res. Atmos., 119, 6938–6957, doi:10.1002/2013JD021389.

Wolff, E. W., M. Bigler, M. A. J. Curran, J. E. Dibb, M. M. Frey, M. Legrand, and J. R. McConnell (2016), Comment on “Low time resolution analysis of polar ice cores cannot detect impulsive nitrate events” by D.F. Smart et al., J. Geophys. Res. Space Physics, 121, doi:10.1002/2015JA021570

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