Snow of the Antarctica's plateau. Specific surface area and applications.
La neige du plateau antarctique. Surface spécifique et applications.
Résumé
Snow is the most reflective surface on Earth and its presence on vast expanses such as Antarctica considerably impacts the climate of the Earth. Snow albedo depends on its physical properties, and particularly on its specific surface area i.e. the surface area of this porous medium that is accessible to gases, per unit mass. The specific surface area (SSA) is also an important variable for the chemistry of atmosphere-snow interactions, because it allows the quantification of adsorbed gases. However, for lack of simple methods to measure it, the SSA of Antarctic snow has been little studied. One of the objectives of this study was to design and build a novel experimental apparatus to measure snow SSA from its infrared reflectance. This apparatus allows the rapid measurement of snow SSA, with an accuracy of 10 % and it is simple to operate in hostile polar conditions. We have performed the first SSA measurements of the surface snow on the Antarctic plateau, at Dome C (DC) and on the traverse between DC and the coastal base Dumont D'Urville (DDU). These measurements took place in pits about 1 m deep. Daily variations of snow SSA were also studied. Our data indicate that snow physical properties are heterogeneous at a scale of several meters on the Antarctic plateau, because accumulation is very low and wind remobilizes surface snow, and redistributes it in discontinuous layers. Heterogeneities were also observed between DC and DDU, in particular because of the increase in wind speed closer to the coast. At the diurnal time scale, SSA variations observed for the top two centimetres of the snow are explained by the formation of surface hoar at night and of sublimation crystals during the day. These measurements allowed the calculation of snow albedo on the Antarctic plateau and its diurnal variations. A preliminary comparison of the calculated albedos with satellite measurements show an encouraging agreement, and lead to the conclusion that the determination of snow SSA from space can be envisaged with optimism.
La neige est la surface terrestre la plus réfléchissante et sa présence sur de vastes étendues comme l'Antarctique affecte considérablement le bilan énergétique de la Terre. L'albédo de la neige dépend de ses propriétés physiques, et notamment de sa surface spécifique, c'est-à-dire de la surface totale de ce milieu poreux accessible aux gaz, par unité de masse. La surface spécifique (SS) est également une variable importante pour la chimie des interactions neige-atmosphère, car elle permet de quantifier les molécules adsorbées. Cependant, faute de méthodes simples pour la mesurer, la SS de la neige antarctique a été très peu étudiée. Un des objectifs de ce travail a été de concevoir et de mettre au point un nouveau dispositif expérimental pour mesurer la SS de la neige à partir de sa réflectance dans l'infra-rouge. Ce dispositif permet une mesure rapide avec une précision de 10 % et il est facile à mettre en œuvre dans les conditions hostiles des régions polaires. Nous avons ainsi réalisé les premières mesures de SS de la neige de surface sur le plateau Antarctique, à Dôme C (DC) et sur le trajet entre DC et la base côtière de Dumont D'Urville (DDU). Ces mesures ont été effectuées dans des puits d'environ un mètre de profondeur. Des suivis de l'évolution journalière de la SS ont également été réalisés. Il a été mis en évidence que les propriétés physiques de la neige sont spatialement inhomogènes à l'échelle de quelques mètres sur le plateau Antarctique car l'accumulation y est très faible et le vent remobilise la neige de surface, pour la redéposer en couches discontinues. Des hétérogénéités sont aussi observées entre DC et DDU, à cause notamment de l'augmentation de la vitesse du vent lorsque l'on se rapproche de la côte. A l'échelle journalière, les variations de la SS de la neige observées pour les deux premiers centimètres du manteau neigeux s'expliquent par la formation de givre de surface la nuit et de cristaux de sublimation le jour. Toutes ces mesures nous ont permis de calculer l'albédo de la neige sur le plateau Antarctique et ses variations journalières. Une étude préliminaire propose une comparaison de ces mesures avec des observations satellitales et les premiers résultats sont très encourageants quant à la possibilité de déterminer la SS de la neige depuis l'espace.