The Chemistry and Aerosols Mediterranean Experiment (ChArMEx)

 

Bassin semi-fermé à l'orographie importante, la Méditerranée est la source ou la zone de transport de différents types d'aérosol d'origine naturelle ou anthropique, e.g., les sels de mer, les aérosols biogéniques, les feux de biomasses, les aérosols d'origine urbaine et industrielle, et les poussières désertiques depuis l'Afrique, la source majeure à l'échelle globale. L'aérosol Méditerranéen est donc un mélange de particules fines et grossières de forme, taille et composition diverses, donc des propriétés optiques sont différentes et par conséquent ayant une capacité plus ou moins accrue à affecter le bilan de rayonnement. D'autre part, le dépôt atmosphérique de ces aérosols représente la principale source d'apports de nutriments à la biosphère marine sur une partie de l'année et à ce titre joue un rôle clé dans le fonctionnement des écosystèmes dans cette région et donc sur l'export de carbone dans les couches marines profondes. Le bassin Méditerranéen est soumis à une forte pression anthropique et a été pointé comme un hot spot du réchauffement climatique futur, qui amènerait à augmenter les périodes de sécheresse (Giorgi et Lionello, 2008).

Dans ce contexte, ChArMEX (the Chemistry-Aerosol Mediterranean Experiment), l'un des projets émanant du programme MISTRALS (Mediterranean Integrated Studies at Regional and Local Scales),  vise à estimer de l’habitabilité future du bassin méditerranéen, en particulier à travers l’étude des interactions entre chimie atmosphérique et climat.. Pour cela, Le LISA au sein du projet ChArMEx a étudié de façon intégrée (1) les sources et voies de transport et de formation chimique de polluants gazeux et particulaires, (2) leur impact radiatif et (3) leur dépôt aux écosystèmes marins (notamment, en lien avec l'initiative MerMex).

ChArMex s’est articulé autour de plusieurs phases d’observation intensive pour documenter le transport des aérosols désertiques à courte échelle (1-2 jours après émission) dans un environnement pollué. La plateforme mobile PEGASUS a été mises en œuvre pour la première fois au super-site de la SOP1 de ChArMex sur l’Ile de Lampedusa entre Juin et Juillet 2013. La plateforme AVIRAD à bord de l'ATR-42 a été mise en œuvre au cours de la pré-campagne (TRAQA, Jun 2012), puis au cours des SOP1a (Juin-Juillet 2013) et SOP1b (Juillet-Aout 2013). Au cours de cette dernière, des mesures au sol ont également été réalisées sur le super-site ChArMex situé à la pointe nord du cap corse. En dehors de des périodes intensives, un réseau de mesure a été mis en place pour étudier les dépôts atmosphériques  (projet DEMO) sur le bassin occidental méditerranéen pendant plusieurs années depuis 2011.

Un des objectifs de ChArMex-LISA est d’établir le rôle joué actuellement par l’effet radiatif direct des aérosols en Méditerranée, afin de pouvoir prédire celui qu’ils joueront dans le climat futur. Les résultats des observations ont permis d’étudier l’évolution de la distribution granulométrique des poussières au cours de leur transport et de caractériser ces masses par rapport aux masses d’air polluées.

 

Pour ce qui est de l’étude des processus chimiques atmosphériques, une caractérisation très détaillée de la composition organique moléculaire à la fois en phase gazeuse et particulaire a conduit à l’identification et la quantification de plus de cent composés oxygénés polyfonctionnels de 2 à 8 atomes de carbone. Ces mesures ont notamment permis d’expliquer une partie de la réactivité d’OH manquante (Zannoni et al. 2017) par la présence significative de composés bi-fonctionnels jusque-là non quantifiés pour cette région et traduisant de l’importance de la réactivité résiduelle des masses d’air vieillies (Hallemans, 2016). Pour beaucoup de composés organiques semivolatils mesurés dans les deux phases, une présence plus forte qu’attendue a été observée en phase particulaire suggérant une non-volatilisation partielle de l’aérosol organique (Hallemans, 2016). La prise en compte de ce processus dans les modèles atmosphériques permet un meilleur accord des simulations avec les observations (Cholakian et al., 2018a), et leur utilisation pour des scénarios futurs d’impact de changement climatique sur la QA dans le bassin. Ces derniers montrent une relative stabilité des PM10  par rapport à un climat régional futur, mais des différences prononcées pour des composés individuels (moins de nitrates, plus d’aérosol organique, Cholakian et al., 2018b).

En ce qui concerne l’étude du dépôt atmosphérique sur la Méditerranée, elle s’est en grande partie focalisée sur la quantification expérimentale des flux massiques de poussières désertiques pour contraindre les simulations numériques sur le bassin méditerranéen occidental, et des métaux associés, par le déploiement d’un réseau de collecteurs autonomes développés au laboratoire (Laurent et al., 2015 ; Vincent et al., 2016 ; Fu et al., 2017). Un travail plus spécifique sur la chimie des dépôts atmosphériques en Corse a permis également de mettre en avant le rôle significatif des apports de nutriments majeurs (N et P) par les sources anthropiques (Desboeufs et al., 2018). Ces travaux ont été menés en forte interaction avec la communauté des biogéochimistes marins dans le cadre du WP Air-Sea exchange (co-PI : K. Desboeufs) de l’initiative MERMEx du programme MISTRALS, notamment pour alimenter les modèles de biogéochimie marine (Richon et al., 2017). Cette interaction s’est traduite par la campagne en mer PEACETIME  (dont le LISA était porteur), commun aux deux projets et réunissant des chercheurs de 7 pays. Cette campagne a permis de suivre l’effet d’un évènement de dépôt atmosphérique de poussières désertiques sur la biogéochimie marine et le fonctionnement de l’écosystème pélagique, mais également sa rétro-action sur les émissions marines et de réactivité atmosphérique. Cette campagne est également une des campagnes choisies comme cas d’étude dans le cadre de l’exercice Aero-climat-Med-CORDEX.

Le LISA était fortement impliqué dans ce projet dès sa phase d’élaboration. Il a ensuite fourni deux des sept PI’s de WP’s (Atmospheric processing of  reactive gases and aerosols (M. Beekmann), Atmospheric deposition to the sea of compounds of biogeochemical interest (K. Desboeufs)). Trois de ces cinq thématiques (Poussières désertiques, Carbone, Pollution) ainsi que le Département technique du LISA ont été fortement mobilisés, en mettant en œuvre des instruments de mesure sur le terrain en réseau ou lors de campagnes dédiées (aéroportées, sur bateau, au sol), en effectuant des études de simulations en laboratoire et de modélisation numérique, et enfin, en inversant et en exploitant des observations satellitaires.

 

Contact LISA: P. Formenti/K. Desboeufs/ M. Beekmann

Financial support: ANR (2011-2016), PNI Mistrals, ADEME, ADEME-PRIMEQUAL

Partners: 
M. Mallet – CNRM)
B. D’Anna – IRCELYON/LCE
A. G. Di Sarra – ENEA
D. Meloni – ENEA
F. Ravetta - LATMOS
F. Dulac – CharMex PI
I Chiapello  LOA
S. Sauvage, S. Dusanter, N. Locoge – IMT
J. Sciare – LSCE/CYI ; V. Gros – LSCE
N. Marchand – LCE
A.Borbon, K. Sellegri, E. Freney, A. Colomb -  LaMP
K. Sartelet - CEREA

 

Group publications

 

- Cholakian, A., Beekmann, M., Colette, A., Coll, I., Siour, G., Sciare, J., Marchand, N., Couvidat, F., Pey, J., Gros, V., Sauvage, S., Michoud, V., Sellegri, K., Colomb, A., Sartelet, K., Langley DeWitt, H., Elser, M., Prévot, A. S. H., Szidat, S., and Dulac, F.: Simulation of fine organic aerosols in the western Mediterranean area during the ChArMEx 2013 summer campaign, Atmos. Chem. Phys., 18, 7287-7312, https://doi.org/10.5194/acp-18-7287-2018, 2018a.
- Cholakian, A., Colette, A., Ciarelli, G., Coll, I., and Beekmann, M.: Future climatic drivers and their effect on PM10 components in Europe and the Mediterranean Sea, Atmos. Chem. Phys. Discuss., https://doi.org/10.5194/acp-2018-868, in review, 2018b.
Chrit, M., Sartelet, K., Sciare, J., Pey, J., Nicolas, J. B., Marchand , N., Freney, E., Sellegri, K., Beekmann, M., and Dulac, F.: Aerosol sources in the western Mediterranean during summertime: a model-based approach, Atmos. Chem. Phys., 18, 9631-9659, https://doi.org/10.5194/acp-18-9631-2018, 2018.
- Desboeufs, K., Bon Nguyen, E., Chevaillier, S., Triquet, S., and Dulac, F.: Fluxes and sources of nutrient and trace metal atmospheric deposition in the northwestern Mediterranean, Atmos. Chem. Phys., 18, 14477-14492, https://doi.org/10.5194/acp-18-14477-2018, 2018.
- Formenti, P., Mbemba Kabuiku, L., Chiapello, I., Ducos, F., Dulac, F., and Tanré, D.: Aerosol optical properties derived from POLDER-3/PARASOL (2005–2013) over the western Mediterranean Sea – Part 1: Quality assessment with AERONET and in situ airborne observations, Atmos. Meas. Tech., 11, 6761-6784, https://doi.org/10.5194/amt-11-6761-2018, 2018.
- Freney, E., Sellegri, K., Chrit, M., Adachi, K., Brito, J., Waked, A., Borbon, A., Colomb, A., Dupuy, R., Pichon, J.-M., Bouvier, L., Delon, C., Jambert, C., Durand, P., Bourianne, T., Gaimoz, C., Triquet, S., Féron, A., Beekmann, M., Dulac, F., and Sartelet, K.: Aerosol composition and the contribution of SOA formation over Mediterranean forests, Atmos. Chem. Phys., 18, 7041-7056, https://doi.org/10.5194/acp-18-7041-2018, 2018.
- Meloni, D., di Sarra, A., Brogniez, G., Denjean, C., De Silvestri, L., Di Iorio, T., Formenti, P., Gómez-Amo, J. L., Gröbner, J., Kouremeti, N., Liuzzi, G., Mallet, M., Pace, G., and Sferlazzo, D. M.: Determining the infrared radiative effects of Saharan dust: a radiative transfer modelling study based on vertically resolved measurements at Lampedusa, Atmos. Chem. Phys., 18, 4377-4401, https://doi.org/10.5194/acp-18-4377-2018, 2018.
- Michoud, V., Sauvage, S., Léonardis, T., Fronval, I., Kukui, A., Locoge, N., and Dusanter, S.: Field measurements of methylglyoxal using proton transfer reaction time-of-flight mass spectrometry and comparison to the DNPH–HPLC–UV method, Atmos. Meas. Tech., 11, 5729-5740, https://doi.org/10.5194/amt-11-5729-2018, 2018.
- Richon C., Dutay J. C., Dulac F., Wang R., Balkanski Y., Nabat P., Aumont Olivier, Desboeufs K., Laurent B., Guieu C., Raimbault P., Beuvier J., Modeling the impacts of atmospheric deposition of nitrogen and desert dust-derived phosphorus on nutrients and biological budgets of the Mediterranean Sea. Prog. Oceanog., 163, 21-39, https://doi.org/10.1016/j.pocean.2017.04.009, 2018.
Berland, K., Rose, C., Pey, J., Culot, A., Freney, E., Kalivitis, N., Kouvarakis, G., Cerro, J. C., Mallet, M., Sartelet, K., Beckmann, M., Bourriane, T., Roberts, G., Marchand, N., Mihalopoulos, N., and Sellegri, K.: Spatial extent of new particle formation events over the Mediterranean Basin from multiple ground-based and airborne measurements, Atmos. Chem. Phys., 17, 9567-9583, https://doi.org/10.5194/acp-17-9567-2017, 2017.
- Chrit, M., Sartelet, K., Sciare, J., Pey, J., Marchand, N., Couvidat, F., Sellegri, K., and Beekmann, M.: Modelling organic aerosol concentrations and properties during ChArMEx summer campaigns of 2012 and 2013 in the western Mediterranean region, Atmos. Chem. Phys., 17, 12509-12531, https://doi.org/10.5194/acp-17-12509-2017, 2017.
- Fu, Y., Desboeufs, K., Vincent, J., Bon Nguyen, E., Laurent, B., Losno, R., and Dulac, F.: Estimating chemical composition of atmospheric deposition fluxes from mineral insoluble particles deposition collected in the western Mediterranean region, Atmos. Meas. Tech., 10, 4389-4401, https://doi.org/10.5194/amt-10-4389-2017, 2017.
- Liuzzi, G., Masiello, G., Serio, C., Meloni, D., Di Biagio, C., and Formenti, P.: Consistency of dimensional distributions and refractive indices of desert dust measured over Lampedusa with IASI radiances, Atmos. Meas. Tech., 10, 599-615, https://doi.org/10.5194/amt-10-599-2017, 2017.
- Michoud, V., Sciare, J., Sauvage, S., Dusanter, S., Léonardis, T., Gros, V., Kalogridis, C., Zannoni, N., Féron, A., Petit, J.-E., Crenn, V., Baisnée, D., Sarda-Estève, R., Bonnaire, N., Marchand, N., DeWitt, H. L., Pey, J., Colomb, A., Gheusi, F., Szidat, S., Stavroulas, I., Borbon, A., and Locoge, N.: Organic carbon at a remote site of the western Mediterranean Basin: sources and chemistry during the ChArMEx SOP2 field experiment, Atmos. Chem. Phys., 17, 8837-8865, https://doi.org/10.5194/acp-17-8837-2017, 2017.
- Zannoni, N., Gros, V., Sarda Esteve, R., Kalogridis, C., Michoud, V., Dusanter, S., Sauvage, S., Locoge, N., Colomb, A., and Bonsang, B.: Summertime OH reactivity from a receptor coastal site in the Mediterranean Basin, Atmos. Chem. Phys., 17, 12645-12658, https://doi.org/10.5194/acp-17-12645-2017, 2017.
- Di Biagio, C., Formenti, P., Doppler, L., Gaimoz, C., Grand, N., Ancellet, G., Attié, J.-L., Bucci, S., Dubuisson, P., Fierli, F., Mallet, M., and Ravetta, F.: Continental pollution in the Western Mediterranean basin: large variability of the aerosol single scattering albedo and influence on the direct shortwave radiative effect, Atmos. Chem. Phys., 16, 10591-10607, doi:10.5194/acp-16-10591-2016, 2016.
Mailler, S., Menut, L., di Sarra, A. G., Becagli, S., Di Iorio, T., Bessagnet, B., Briant, R., Formenti, P., Doussin, J.-F., Gómez-Amo, J. L., Mallet, M., Rea, G., Siour, G., Sferlazzo, D. M., Traversi, R., Udisti, R., and Turquety, S.: On the radiative impact of aerosols on photolysis rates: comparison of simulations and observations in the Lampedusa island during the ChArMEx/ADRIMED campaign, Atmos. Chem. Phys., 16, 1219-1244, doi:10.5194/acp-16-1219-2016, 2016.
- Vincent, J., Laurent, B., Losno, R., Bon Nguyen, E., Roullet, P., Sauvage, S., Chevaillier, S., Coddeville, P., Ouboulmane, N., di Sarra, A. G., Tovar-Sanchez, A., Sferlazzo, D., Massanet, A., Triquet, S., Morales Baquero, R., Fornier, M., Coursier, C., Desboeufs, K., Dulac, F., and Bergametti, G.: Variability of mineral dust deposition in the western Mediterranean basin and south-east of France, Atmos. Chem. Phys., 16, 8749-8766, 10.5194/acp-16-8749-2016, 2016.Denjean, C., Cassola, F., Mazzino, A., Triquet, S., Chevaillier, S., Grand, N., Bourrianne, T., Momboisse, G., Sellegri, K., Schwarzenbock, A., Freney, E., Mallet, M., and Formenti, P.: Size distribution and optical properties of mineral dust aerosols transported in the western Mediterranean, Atmos. Chem. Phys., 16, 1081-1104, doi:10.5194/acp-16-1081-2016, 2016.
- Mallet, M., Dulac, F., Formenti, P., Nabat, P., Sciare, J., Roberts, G., Pelon, J., Ancellet, G., Tanré, D., Parol, F., Denjean, C., Brogniez, G., di Sarra, A., Alados-Arboledas, L., Arndt, J., Auriol, F., Blarel, L., Bourrianne, T., Chazette, P., Chevaillier, S., Claeys, M., D'Anna, B., Derimian, Y., Desboeufs, K., Di Iorio, T., Doussin, J.-F., Durand, P., Féron, A., Freney, E., Gaimoz, C., Goloub, P., Gómez-Amo, J. L., Granados-Muñoz, M. J., Grand, N., Hamonou, E., Jankowiak, I., Jeannot, M., Léon, J.-F., Maillé, M., Mailler, S., Meloni, D., Menut, L., Momboisse, G., Nicolas, J., Podvin, T., Pont, V., Rea, G., Renard, J.-B., Roblou, L., Schepanski, K., Schwarzenboeck, A., Sellegri, K., Sicard, M., Solmon, F., Somot, S., Torres, B, Totems, J., Triquet, S., Verdier, N., Verwaerde, C., Waquet, F., Wenger, J., and Zapf, P.: Overview of the Chemistry-Aerosol Mediterranean Experiment/Aerosol Direct Radiative Forcing on the Mediterranean Climate (ChArMEx/ADRIMED) summer 2013 campaign, Atmos. Chem. Phys., 16, 455-504, doi:10.5194/acp-16-455-2016, 2016.
- Laurent, B., R. Losno, S. Chevaillier, J. Vincent, P. Roullet, E. Bon-Nguyen, N. Ouboulmane, S. Triquet, M. Fornier, P. Raimbault, G. Bergametti, An automatic collector to monitor insoluble atmospheric deposition: An application for mineral dust deposition, Atmos. Meas. Tech., 8, 2801-2811, 2015.
- Di Biagio, C., L. Doppler, C. Gaimoz, N. Grand, G. Ancellet, J.-C. Raut, M. Beekmann, A. Borbon, K. Sartelet, J.-L. Attié, F. Ravetta, P. Formenti, Continental pollution in the Western Mediterranean basin: vertical profiles of aerosol and trace gases measured over the sea during TRAQA 2012 and SAFMED 2013, Atmos. Chem. Phys., 15, 9611–9630, doi:10.5194/acp-15-9611-2015, 2015
- Menut L., S. Mailler, G. Siour, B. Bessagnet, S. Turquety, G. Rea, R. Briant, M. Mallet, J. Sciare, and P. Formenti, Analysis of the atmospheric composition during the summer 2013 over the Mediterranean area using the CHARMEX measurements and the CHIMERE model, Atmos. Chem. Phys., 15, 6159-6182, 2015
- Menut, L., Mailler, S., Siour, G., Bessagnet, B., Turquety, S., Rea, G., Briant, R., Mallet, M., Sciare, J., Formenti, P., and Meleux, F.: Ozone and aerosol tropospheric concentrations variability analyzed using the ADRIMED measurements and the WRF and CHIMERE models, Atmos. Chem. Phys., 15, 6159-6182, https://doi.org/10.5194/acp-15-6159-2015, 2015.
- Nabat, P., Somot, S., Mallet, M., Michou, M., Sevault, F., Driouech, F., Meloni, D., di Sarra, A., Di Biagio, C., Formenti, P., Sicard, M., Léon, J.-F., and Bouin, M.-N.: Dust aerosol radiative effects during summer 2012 simulated with a coupled regional aerosol–atmosphere–ocean model over the Mediterranean, Atmos. Chem. Phys., 15, 3303-3326, https://doi.org/10.5194/acp-15-3303-2015, 2015.

 

À gauche station de mesure Lampedusa, à droite avion de recherché ATR42 en large de la Corse

 

Déploiement du container PEGASUS sur le pont supérieur du vaisseau de recherche Pourquoi Pas ? lors de la campagne en mer PEACETIME.

 

Collecteur Autonome de mesure de dépôt (CARAGA) installé sur l’ïle du Frioul dans le cadre du réseau DEMO.