Pollution atmosphérique locale hivernale dans l'Arctique

L'Arctique est soumis à un réchauffement climatique accru par rapport à la moyenne mondiale, entraînant des changements environnementaux rapides, notamment une diminution de l'étendue de la banquise. Ces évolutions favorisent la croissance démographique et les activités humaines (par exemple, le transport maritime et l'extraction minière) dans certaines zones. Cela motive un effort pour mieux comprendre les sources locales de pollution atmosphérique, notamment dans les zones urbaines arctiques en hiver, où des températures extrêmement froides augmentent fortement les émissions. Par ailleurs, le faible rayonnement solaire, le refroidissement radiatif intense de la surface et les reliefs favorisent des conditions météorologiques stables dans la couche limite atmosphérique (CLA) hivernale, limitant les échanges verticaux via des couches d'inversion près de la surface ou en altitude. Fairbanks, en Alaska (États-Unis), illustre bien ces défis, avec de graves épisodes de pollution hivernale. La ville abrite des centrales électriques aux combustibles fossiles et des sources d'émissions proches de la surface (chauffage, transports). La campagne de terrain Alaskan Layered Pollution and Chemical Analysis (ALPACA) en 2022 visait à mieux comprendre les sources de pollution, leur transport et leur transformation dans des conditions froides et sombres au sein de la CLA stratifiée. Cette thèse analyse la dispersion du monoxyde de carbone (CO), du dioxyde de soufre (SO2), du monoxyde d'azote (NO) et du dioxyde d'azote (NO2) à Fairbanks grâce au modèle de dispersion particulaire FLEXPART-WRF. Les simulations incluent des données détaillées sur les émissions des centrales et des sources proches de la surface, ainsi qu'une comparaison approfondie avec les observations d'ALPACA-2022 (de surface et de profils verticaux) et des analyses de sensibilité pour explorer les biais du modèle. Les résultats mettent en évidence l'importance de prendre en compte les couches d'inversion pour améliorer la simulation des panaches des centrales dans la CLA stratifiée. La simulation des concentrations de CO à la surface dépend principalement de la météorologie et, dans une certaine mesure, de la variabilité des émissions. Un effet lié aux températures froides accroît les émissions de NOx (NO + NO2) des véhicules diesel, ce qui réduit les biais négatifs du modèle. La pollution modélisée est aussi sensible à la hauteur de mélange vertical dans FLEXPART-WRF ; les biais positifs pour le SO2 sont influencés par ce paramètre, et dans une moindre mesure par l'oxydation en aérosols sulfatés et les dépôts. Environ 80 % du SO2 est émis entre 5 et 18 m d'altitude (chauffage), tandis que CO et NOx proviennent principalement des véhicules. Les centrales contribuent à la pollution de surface à hauteur de 0,3-2,7 ppb pour le SO2 et 0,6-6,4 ppb pour le NOx en moyenne à hauteur respirable (0-10 m). Ces contributions, souvent issues de cheminées courtes (< 30 m), augmentent sous des couches d'inversion ou par redistribution lors de conditions moins stables. Ces émissions et celles d'autres sources en altitude influencent aussi la pollution régionale, la brume arctique de fond et les effets radiatifs des aérosols sur les nuages. Les résultats soulignent la nécessité d'améliorer les inventaires d'émissions et les simulations météorologiques adaptées à la CLA hivernale en Arctique, surtout dans un contexte de développement accru et de réchauffement continu de la région.