Detailed chemical composition of mixed clouds. In cloud study of the incorporation of strong (HCI, HN03) and weak (S02, HCOOH, CH3COOH) acids in solid precipitation.
Composition chimique détaillée d'un nuage mixte. Etude in situ des mécanismes d'incorporation d'acides forts et faibles dans la précipitation solide.
Résumé
Ice is common in clouds, even at low altitude. Nevertheless, the impact of the ice phase on tropospheric chemistry is poorly known and cannot be studied without precise understanding of the phase partitionning of gases in mixed clouds. In order to study this partition, supercooled water, precipitating ice, interstitial gases and aerosol have been collected at the Puy de Dôme' s observatory in mixed clouds whose liquid water and ice water content was measured at the same time. Henry's law fails to describe the uptake of gases by supercooled droplets. Deviations from the equilibrium were higher for the most soluble species (HCI et HN03) at higher pH. Those deviations correlate with the solution' s pH and are not affected by the presence of ice. They also are too important to be attributed solely to mass transfert limitations. Shock-freezing of supercooled droplets at their impaction on ice crystals induces losses of a large fraction of soluble gases (S02, and to a lesser extent, acetic acid). Microphysical characterisation of the cloud enabled theoretical evaluation of the incloud scavenging of interstitial aerosol by snow, as weIl as of its rimed mass fraction. The rime fraction in snow was also estimated by comparing the concentrations in snow and water for species characterizing cloud condensation nuclei. Both estimations agree and, since in-cloud scavenging of aerosol prooved to be negligible, we could distinguish between riming and solubilisation of gases in the observed concentrations in snow. Strong acids appear to be mainly incorporated in ice through riming, whereas direct solubilisation of gases can be important for weak acids. This solubilization is depending on physical characteristics of the cloud.
Nombre de nuages contiennent de la glace, même à basse altitude. Or, son influence sur leur rôle dans la chimie troposphérique est très mal connue et ne peut être étudiée sans comprendre d'abord la répartition des gaz entre les différentes phases du nuage. Afin d'étudier cette répartition, la collecte des gaz et aérosols interstitiels, de l'eau surfondue et de la glace précipitante a été associée à la mesure des contenus en eau et en glace de nuages mixtes à l'observatoire du Puy de Dôme. L'équilibre de Henry entre les gouttelettes et l'atmosphère n'est pas respecté. Les écarts à l'équilibre les plus importants apparaissent à pH élevé pour les espèces les plus solubles (HCI, HN03). Ces écarts sont corrélés avec le pH, ne sont pas influencés par la présence de glace et sont trop importants pour être expliqués seulement par des limitations de transfert de masse. La rupture de surfusion qui accompagne l'accrétion de ces gouttelettes sur les cristaux de glace provoque la réémission de certains gaz solubilisés (S02 et probablement acide acétique). La caractérisation microphysique du nuage a permis une évaluation théorique de la captation dynamique des aérosols par la neige précipitante et de son taux de givrage. Celui-ci est également estimé par comparaison des concentrations d'espèces caractéristiques des noyaux de condensation dans la neige et dans l'eau surfondue. Ces 2 estimations concordent et permettent, la captation dynamique dans le nuage se révélant négligeable, de distinguer dans les neiges collectées les contributions du givrage et de la solubilisation directe des gaz aux concentrations totales observées. Les acides forts sont incorporés dans la glace essentiellement par le givrage, alors que pour les acides faibles, la solubilisation directe peut être importante, son importance dépendant des caractéristiques physiques du nuage.