L'analyse de l'air interstitiel des névés polaires permet de reconstruire les historiques de nombreux gaz à l'état de trace dans l'atmosphère au cours des 50 à 100 dernières années. Ceci représente un moyen unique pour mieux comprendre l'impact récent de l'homme sur l'environnement. Cette reconstruction nécessite des modèles de transport de gaz trace dans le névé. Les algorithmes disponibles ont été développés au LGGE il y a plus de 10 ans. Bien que très utilisés, ces modèles ont montré des limitations contraignantes. La collaboration entre le LGGE et le GIPSA-lab a permis de reformuler et d'étendre le champ d'application de ces algorithmes, en développant des outils d'analyse propres à l'automatique. L'objectif principal a été d'explorer les propriétés de stabilité des algorithmes, les problèmes d'identification et l'optimisation multi-critères dans le cadre de l'étude du transport en milieu hétérogène. Ce travail a permis à la France de se positionner comme leader dans la reconstruction de scénarii atmosphériques à partir des pompages d'air dans le névé réalisés en 2008 au Groenland, dans le cadre d'un grand programme international (NEEM) impliquant 14 pays.

Quel peut être l'apport de l'automatique dans l'étude des névés polaires ?

L'automatique est une discipline transversale qui développe des méthodes génériques pouvant être utilisées dans des domaines très variés. Par exemple, la fusion thermonucléaire contrôlée, les moteurs de voiture, les fours à pain, les conduites cryogéniques, la ventilation de mines ou de bâtiments intelligents ont en commun le transport de gaz et d'énergie dans des milieux hétérogènes. Les équations physiques décrivant ce transport sont similaires. La neige polaire est aussi un milieu hétérogène avec une phase solide (glace) et une phase gazeuse (air et polluants). La mise en commun des expertises du LGGE sur la physique de la neige et la composition de l'air (gaz à effet de serre, gaz détruisant la couche d'ozone, gaz toxiques tels que le mercure) et du GIPSA-lab sur le traitement des équations du transport de gaz en milieu hétérogène a permis de développer un nouveau modèle numérique LGGE-GIPSA très performant.

Il existe diverses méthodes "d'identification" en automatique. Les équations de la physique peuvent contenir des paramètres mal connus qui doivent être ajustés avec des observations (mesures expérimentales). L'identification consiste à rechercher le meilleur compromis possible pour déterminer la valeur du paramètre mal connu tout en prenant en compte les incertitudes associées aux mesures. La neige polaire, qui ne fond jamais, se tasse progressivement sous l'effet de son propre poids. A quelques dizaines de mètres de profondeur, la neige devient très compacte (névé) et l'air circule encore, bien que très doucement. Ce ralentissement du transport des gaz explique la possibilité d'accéder à de l'air ancien (50 à 100 ans) en le prélevant en profondeur dans les névés polaires. Le paramètre physique qui caractérise ce ralentissement du transport est la "diffusivité" du névé. Elle varie avec la profondeur et on la calcule en minimisant l'écart entre les résultats du modèle numérique et les mesures dans le névé pour des gaz dont l'histoire atmosphérique est bien connue, comme le dioxyde de carbone (CO2). Le nouveau modèle numérique LGGE-GIPSA présente comme intérêt la possibilité d'exploiter les mesures de plusieurs gaz au lieu d'un seul pour calculer plus précisément la diffusivité des névés polaires. Il a permis de modéliser 11 sites, aussi bien au Groenland qu'en Antartique.

L'automatique permet d'inclure l'effet "mémoire" dans des méthodes "inverses". Connaissant l'histoire atmosphérique d'un gaz, les équations physiques permettent de calculer comment il a été transporté dans le névé. Le névé garde la "mémoire" des variations passées et la nature du transport peut évoluer dans le temps. Par exemple la concentration en CO2 dans l'atmosphère a augmenté depuis un siècle. Le transport progressif du CO2 dans le névé entraîne une diminution du CO2 quand la profondeur dans le névé augmente (l'air est plus ancien). Les méthodes "inverses" permettent de "retourner le problème": connaissant la concentration des gaz dans le névé (qu'on peut mesurer), ces méthodes "inverses" permettent de reconstruire l'histoire de leurs concentrations atmosphériques.

Publications (voir aussi dernières parutions)

Journaux

• C.J. Sapart, G. Monteil, M. Prokopiou, R.S.W. van de Wal, P. Sperlich, J.O. Kaplan, K.M. Krumhardt, C. van der Veen, S. Houweling, M.C. Krol, T. Blunier, T. Sowers, P. Martinerie, E. Witrant, D. Dahl-Jensen and T. Röckmann: Natural and anthropogenic variations in methane sources over the last millennia, Nature, 490, 85-88 (04 October), doi:10.1038/nature11461, 2012.
• P. Martinerie, E. Nourtier-Mazauric, J.-M. Barnola, W. T. Sturges, D. R. Worton, E. Atlas, L. K. Gohar, K. P. Shine, and G. P. Brasseur, "Long-lived halocarbon trends and budgets from atmospheric chemistry modelling constrained with measurements in polar firn", Atmospheric Chemistry and Physics, vol. 9, pp. 3911-3934, 2009. [final]
• E. Witrant and S.-I. Niculescu, "Modeling and control of large convective flows with time-delays", Mathematics in Engineering, Science and Aerospace, Vol 1, No 2, 191-205, 2010. [preprint] [final]
• J.C. Laube, P. Martinerie, E. Witrant, T. Blunier, J. Schwander, C.A.M. Brenninkmeijer, T.J. Schuck, M. Bolder, T. Röckmann, C. van der Veen, H. Bönisch, A. Engel, G.P. Mills, M.J. Newland, D.E. Oram, C.E. Reeves and W.T. Sturges, "Accelerating growth of HFC-227ea (1,1,1,2,3,3,3-heptafluoropropane) in the atmosphere", Atmospheric Chemistry and Physics, 10, 5903-5910, 2010. [final]
• E. Witrant, P. Martinerie, C. Hogan, J. C. Laube, K. Kawamura, E. Capron, S. A. Montzka, E. L. Dlugokencky, D. Etheridge, T. Blunier, and W. T. Sturges, "A new multi-gas constrained model of trace gas non-homogeneous transport in firn: evaluation and behavior at eleven polar sites", Atmos. Chem. Phys. Discuss., 11, 23029-23080, 2011. [final]
• C. Buizert, P. Martinerie, V.V. Petrenko, J.P. Severinghaus, C.M. Trudinger, E. Witrant, J.L. Rosen, A.J. Orsi, M. Rubino, D.M. Etheridge, L. P. Steele, C. Hogan, J.C. Laube, W.T. Sturges, V.A. Levchenko, A.M. Smith, I. Levin, T.J. Conway, E.J. Dlugokencky, P.M. Lang, K. Kawamura, T.M. Jenk, J.W.C. White, T. Sowers, J. Schwander, and T. Blunier, "Gas transport in firn: multiple-tracer characterisation and model intercomparison for NEEM, Northern Greenland", Atmos. Chem. Phys., 12, 4259-4277, 2012. [final]
• Z. Wang, J. Chappellaz, P. Martinerie, K. Park, V. Petrenko, E. Witrant, L.K. Emmons, T. Blunier, C. A. M. Brenninkmeijer, and J. E. Mak, "The isotopic record of Northern Hemisphere atmospheric carbon monoxide since 1950, implications for the CO budget", Atmos. Chem. Phys., 12, Atmos. Chem. Phys., 12, 4365-4377, 2012. [final]
• Sturges, W. T., Oram, D. E., Laube, J. C., Reeves, C. E., Newland, M. J., Hogan, C., Martinerie, P., Witrant, E., Brenninkmeijer, C. A. M., Schuck, T. J., and Fraser, P. J., "Emissions halted of the potent greenhouse gas SF5CF3", Atmos. Chem. Phys., 12, 3653-3658, 2012 [final]
• J. C. Laube, C. Hogan, M. J. Newland, F. S. Mani, P. J. Fraser, C. A. M. Brenninkmeijer, P. Martinerie, D. E. Oram, T. Röckmann, J. Schwander, E. Witrant, G. P. Mills, C. E. Reeves, and W. T. Sturges, "Distributions, long term trends and emissions of four perfluorocarbons in remote parts of the atmosphere and firn air", Atmos. Chem. Phys., 12, 4081-4090, 2012 [final]
• Sapart, C. J., Martinerie, P., Chappellaz, J., van de Wal, R. S. W., Sperlich, P., van der Veen, C., Bernard, S., Sturges, W. T., Blunier, T., Witrant, E., Schwander, J., Etheridge, D., and Röckmann, T., "Reconstruction of the carbon isotopic composition of methane over the last 50 yr based on firn air measurements at 11 polar sites", Atmos. Chem. Phys. Discuss., 12, 9587-9619, doi:10.5194/acpd-12-9587-2012 [final]
• J. Bock, P. Martinerie, E. Witrant and J. Chappellaz, "Atmospheric impacts and ice core imprints of a methane pulse from clathrates", Earth and Planetary Science Letters, vol. 349-350, 98-108, doi:10.1016/j.epsl.2012.06.052, 2012.
• Zuiderweg, A., Holzinger, R., Martinerie, P., Schneider, R., Kaiser, J., Witrant, E., Etheridge, D., Rubino, M., Petrenko, V., Blunier, T., and Röckmann, T.: Extreme 13C depletion of CCl2F2 in firn air samples from NEEM, Greenland, Atmos. Chem. Phys. Discuss., 12, 18499-18530, doi:10.5194/acpd-12-18499-2012, 2012.
• Petrenko, V. V., Martinerie, P., Novelli, P., Etheridge, D. M., Levin, I., Wang, Z., Blunier, T., Chappellaz, J., Kaiser, J., Lang, P., Steele, L. P., Hammer, S., Mak, J., Langenfelds, R. L., Schwander, J., Severinghaus, J. P., Witrant, E., Petron, G., Battle, M. O., Forster, G., Sturges, W. T., Lamarque, J.-F., Steffen, K., and White, J. W. C.: A 60-yr record of atmospheric carbon monoxide reconstructed from Greenland firn air, Atmos. Chem. Phys. Discuss., 12, 18993-19037, doi:10.5194/acpd-12-18993-2012, 2012.

Conférences

• E. Witrant and P. Martinerie, "A Variational Approach for Optimal Diffusivity Identification in Firns", Proc. of the 18th Mediterranean Conference on Control and Automation, Marrakech, Morocco, June 23-25, pp 892-897, 2010. Invited paper. [preprint] [final]
• M. Newland, D. Oram, J. Laube, C. Hogan, B. Sturges, C. Reeves, P. Martinerie, P. Fraser, E. Witrant, T. Blunier, J. Schwander, C. Brenninkmeijer, T. Schuck, M. Bolder, T. Röckmann, C. van der Veen, H. Bönisch, A. Engel, and G. Mills, "Emission estimates of several long lived ozone depleting substances and greenhouse gases from top-down modeling", Geophysical Research Abstracts, EGU General Assembly 2011, Vol. 13, EGU2011-4619-2, 2011. [abstract]
• W.T. Sturges, C. Hogan, H. Newton, E. Leedham, J. Laube, D. Oram, L. Ostergaard, E. Koerner, K. Armeanu-D'Souza, P. Martinerie, E. Witrant, T. Blunier, J. Schwander, F. Keng, P. Siew Moi, "Potential for Future Threats to Ozone Recovery from 'Short' and 'Very Short-lived' Halocarbons", WCRP OSC Climate Research in Service to Society, Denver, CO, USA, October 24-28, 2011. [poster]
• Trudinger, C., C. Buizert, P. Martinerie, V. Petrenko, J. Severinghaus, E Witrant, D Etheridge, M Rubino, T Blunier, A Smith: " Multi-tracer Calibration of Firn Air Processes", IUGG: Earth on the Edge - Science for a Sustainable Planet, june 28 - july 7, Melbourne, Australia, 2011. [abstract]
• Sapart C.J., M. Prokopiou, C. van der Veen, R.S.W. van de Wal, T. Sowers, C.Buizert, P.Sperlich, T.Blunier, P. Martinierie, J. Chappellaz, E.Witrant and T. Röckmann, Understanding the CH4 and N2O budget over the last 3 millennia with stable isotope measurement from ice core air, XVIII INQUA-Congress, Bern, Switzerland, July 21-27, 2011. [abstract]
• Helmig D., V. Petrenko, P. Martinerie, E. Witrant, J. Caramore, J. Hueber, W. Sturges, A. Baker, T. Blunier, T. Roeckmann, D. Etheridge, M. Rubino, P. Tans, ESRL/GMD Cooperative Air Sampling Network and NEEM Ice Core Project Members: "Reconstruction of 1950 - 2010 Northern Hemisphere Non-methane Hydrocarbon Histories, 40th ESRL Global Monitoring Annual Conference, May 15-17 2012, Boulder, Colorado, USA. [abstract]

Grenoble Images Parole Signal Automatique laboratoire

UMR 5216 CNRS - Grenoble INP - Université Joseph Fourier - Université Stendhal