Mercury isotope evidence for Arctic summertime re-emission of mercury from the cryosphere

During Arctic springtime, halogen radicals oxidize atmospheric elemental mercury (Hg-0), which deposits to the cryosphere. This is followed by a summertime atmospheric Hg-0 peak that is thought to result mostly from terrestrial Hg inputs to the Arctic Ocean, followed by photoreduction and emission to air. The large terrestrial Hg contribution to the Arctic Ocean and global atmosphere has raised concern over the potential release of permafrost Hg, via rivers and coastal erosion, with Arctic warming. Here we investigate Hg isotope variability of Arctic atmospheric, marine, and terrestrial Hg. We observe highly characteristic Hg isotope signatures during the summertime peak that reflect re-emission of Hg deposited to the cryosphere during spring. Air mass back trajectories support a cryospheric Hg emission source but no major terrestrial source. This implies that terrestrial Hg inputs to the Arctic Ocean remain in the marine ecosystem, without substantial loss to the global atmosphere, but with possible effects on food webs.Arctic warming thaws permafrost, leading to enhanced soil mercury transport to the Arctic Ocean. Mercury isotope signatures in arctic rivers, ocean and atmosphere suggest that permafrost mercury is buried in marine sediment and not emitted to the global atmospherePeer reviewe

Modélisation de la chimie arctique des halogènes et de ses impacts sur l'ozone et le mercure

Halogens are an important component of Arctic atmospheric chemistry, responsible for the depletion of boundary layer ozone and mercury, oxidation of hydrocarbons, and impacts on nitrogen oxide chemistry and oxidative capacity. During spring, reactive halogens are photochemically activated on salty surfaces (e.g. land-based snow, snow on sea ice, aerosols) and released into the atmosphere. However, the interplay between polar chemical emissions, recycling, transport, and chemistry is complex and remains poorly understood. As a result, descriptions of such processes in atmospheric chemistry models are largely simplified or neglected. This thesis presents an investigation of the role of halogens (chlorine and bromine) on springtime Arctic boundary layer chemistry, through the development and use of atmospheric chemistry models.First, a 1-dimensional model (PACT-1D) is used to study molecular halogen emissions from surface snow and the impact on oxidative chemistry within the boundary layer. The model is used to simulate reactive halogen chemistry observed during the spring 2009 OASIS (Ocean-Atmospheric-Sea ice-Snowpack) measurement campaign in Utqiagvik, Alaska. Model results show that chlorine can be confined to a very shallow layer near the surface, resulting in a large chemical reactivity gradient with altitude. Second, the 3-dimensional WRF-Chem model is used to investigate the interaction of halogens with ozone and mercury during Arctic spring. Several major WRF-Chem model developments are made in this work, including the addition of a new mercury chemical description. The model is evaluated with unique data from the central Arctic, obtained during the 2020 MOSAiC (Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate) expedition. Model results show that bromine emissions and recycling from surface snow and sea ice are necessary to capture ozone and mercury depletion events. This work highlights a need for improved model descriptions of surface emissions to accurately represent boundary layer chemistry, and provides a basis for future model developments.Les composés halogénés sont des espèces chimiques clés de la réactivité de la basse atmosphère arctique. Ils sont responsables de l'appauvrissement de l'ozone et du mercure dans la couche limite, de l'oxydation des hydrocarbures et ont un impact sur la chimie des oxydes d'azote et la capacité oxydante. Au printemps, des halogènes réactifs sont générés via des mécanismes d’ activation photochimique des surfaces salées (par exemple, la neige terrestre, la neige sur la glace de mer, les aérosols) et libérés dans l'atmosphère. Cependant les mécanismes d’émissions et de recyclage de ces composés, leur transport et leurs conséquences sur la chimie atmosphérique polaire sont très complexes et mal définis, ce qui conduit à des simplifications importantes dans les modèles de chimie atmosphérique. A travers le développement et l'utilisation de modèles de chimie atmosphérique, ces travaux de thèse proposent ainsi une étude du rôle des halogènes (chlore et brome) sur la chimie de la couche limite de l'Arctique au printemps.Tout d'abord, nous avons développé et utilisé un modèle unidimensionnel (PACT-1D) pour étudier les émissions d'halogènes moléculaires de la neige de surface et leur impact sur la capacité oxydante dans la couche limite. Le modèle est utilisé pour simuler la chimie réactive des halogènes observée. Les résultats du modèle, appliqué aux observations menées au printemps 2009 pendant la campagne de mesures OASIS (Ocean-Atmospheric-Sea ice-Snowpack) à Utqiagvik, Alaska montrent que le chlore peuvent être confinés dans une couche atmosphérique très fine près de la surface, ce qui entraîne un important gradient de réactivité chimique avec l'altitude. Deuxièmement, nous avons appliqué le modèle tridimensionnel WRF-Chem à l’étude des interactions entre les halogènes, l'ozone et le mercure pendant le printemps arctique. Plusieurs développements majeurs du modèle WRF-Chem ont été sont effectués dans cette thèse, notamment l'ajout d'une nouvelle description chimique du mercure. Le modèle a ensuite ét évalué avec des données uniques du centre de l'Arctique, obtenues lors de l'expédition 2020 de MOSAiC (Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate). Les résultats du modèle ont montré que les émissions de brome et le recyclage de la neige de surface et de la glace de mer sont nécessaires pour mieux représenter les événements d'appauvrissement de l'ozone et du mercure. Nos travaux soulignent ainsi la nécessité d'améliorer les descriptions des émissions de surface dans les modèles afin de représenter avec précision la chimie de la couche limite en Arctique et fournissent une base pour les développements futurs des modèles

Modélisation de la chimie arctique des halogènes et de ses impacts sur l'ozone et le mercure

Halogens are an important component of Arctic atmospheric chemistry, responsible for the depletion of boundary layer ozone and mercury, oxidation of hydrocarbons, and impacts on nitrogen oxide chemistry and oxidative capacity. During spring, reactive halogens are photochemically activated on salty surfaces (e.g. land-based snow, snow on sea ice, aerosols) and released into the atmosphere. However, the interplay between polar chemical emissions, recycling, transport, and chemistry is complex and remains poorly understood. As a result, descriptions of such processes in atmospheric chemistry models are largely simplified or neglected. This thesis presents an investigation of the role of halogens (chlorine and bromine) on springtime Arctic boundary layer chemistry, through the development and use of atmospheric chemistry models.First, a 1-dimensional model (PACT-1D) is used to study molecular halogen emissions from surface snow and the impact on oxidative chemistry within the boundary layer. The model is used to simulate reactive halogen chemistry observed during the spring 2009 OASIS (Ocean-Atmospheric-Sea ice-Snowpack) measurement campaign in Utqiagvik, Alaska. Model results show that chlorine can be confined to a very shallow layer near the surface, resulting in a large chemical reactivity gradient with altitude. Second, the 3-dimensional WRF-Chem model is used to investigate the interaction of halogens with ozone and mercury during Arctic spring. Several major WRF-Chem model developments are made in this work, including the addition of a new mercury chemical description. The model is evaluated with unique data from the central Arctic, obtained during the 2020 MOSAiC (Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate) expedition. Model results show that bromine emissions and recycling from surface snow and sea ice are necessary to capture ozone and mercury depletion events. This work highlights a need for improved model descriptions of surface emissions to accurately represent boundary layer chemistry, and provides a basis for future model developments.Les composés halogénés sont des espèces chimiques clés de la réactivité de la basse atmosphère arctique. Ils sont responsables de l'appauvrissement de l'ozone et du mercure dans la couche limite, de l'oxydation des hydrocarbures et ont un impact sur la chimie des oxydes d'azote et la capacité oxydante. Au printemps, des halogènes réactifs sont générés via des mécanismes d’ activation photochimique des surfaces salées (par exemple, la neige terrestre, la neige sur la glace de mer, les aérosols) et libérés dans l'atmosphère. Cependant les mécanismes d’émissions et de recyclage de ces composés, leur transport et leurs conséquences sur la chimie atmosphérique polaire sont très complexes et mal définis, ce qui conduit à des simplifications importantes dans les modèles de chimie atmosphérique. A travers le développement et l'utilisation de modèles de chimie atmosphérique, ces travaux de thèse proposent ainsi une étude du rôle des halogènes (chlore et brome) sur la chimie de la couche limite de l'Arctique au printemps.Tout d'abord, nous avons développé et utilisé un modèle unidimensionnel (PACT-1D) pour étudier les émissions d'halogènes moléculaires de la neige de surface et leur impact sur la capacité oxydante dans la couche limite. Le modèle est utilisé pour simuler la chimie réactive des halogènes observée. Les résultats du modèle, appliqué aux observations menées au printemps 2009 pendant la campagne de mesures OASIS (Ocean-Atmospheric-Sea ice-Snowpack) à Utqiagvik, Alaska montrent que le chlore peuvent être confinés dans une couche atmosphérique très fine près de la surface, ce qui entraîne un important gradient de réactivité chimique avec l'altitude. Deuxièmement, nous avons appliqué le modèle tridimensionnel WRF-Chem à l’étude des interactions entre les halogènes, l'ozone et le mercure pendant le printemps arctique. Plusieurs développements majeurs du modèle WRF-Chem ont été sont effectués dans cette thèse, notamment l'ajout d'une nouvelle description chimique du mercure. Le modèle a ensuite ét évalué avec des données uniques du centre de l'Arctique, obtenues lors de l'expédition 2020 de MOSAiC (Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate). Les résultats du modèle ont montré que les émissions de brome et le recyclage de la neige de surface et de la glace de mer sont nécessaires pour mieux représenter les événements d'appauvrissement de l'ozone et du mercure. Nos travaux soulignent ainsi la nécessité d'améliorer les descriptions des émissions de surface dans les modèles afin de représenter avec précision la chimie de la couche limite en Arctique et fournissent une base pour les développements futurs des modèles

Modélisation de la chimie arctique des halogènes et de ses impacts sur l'ozone et le mercure

Halogens are an important component of Arctic atmospheric chemistry, responsible for the depletion of boundary layer ozone and mercury, oxidation of hydrocarbons, and impacts on nitrogen oxide chemistry and oxidative capacity. During spring, reactive halogens are photochemically activated on salty surfaces (e.g. land-based snow, snow on sea ice, aerosols) and released into the atmosphere. However, the interplay between polar chemical emissions, recycling, transport, and chemistry is complex and remains poorly understood. As a result, descriptions of such processes in atmospheric chemistry models are largely simplified or neglected. This thesis presents an investigation of the role of halogens (chlorine and bromine) on springtime Arctic boundary layer chemistry, through the development and use of atmospheric chemistry models.First, a 1-dimensional model (PACT-1D) is used to study molecular halogen emissions from surface snow and the impact on oxidative chemistry within the boundary layer. The model is used to simulate reactive halogen chemistry observed during the spring 2009 OASIS (Ocean-Atmospheric-Sea ice-Snowpack) measurement campaign in Utqiagvik, Alaska. Model results show that chlorine can be confined to a very shallow layer near the surface, resulting in a large chemical reactivity gradient with altitude. Second, the 3-dimensional WRF-Chem model is used to investigate the interaction of halogens with ozone and mercury during Arctic spring. Several major WRF-Chem model developments are made in this work, including the addition of a new mercury chemical description. The model is evaluated with unique data from the central Arctic, obtained during the 2020 MOSAiC (Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate) expedition. Model results show that bromine emissions and recycling from surface snow and sea ice are necessary to capture ozone and mercury depletion events. This work highlights a need for improved model descriptions of surface emissions to accurately represent boundary layer chemistry, and provides a basis for future model developments.Les composés halogénés sont des espèces chimiques clés de la réactivité de la basse atmosphère arctique. Ils sont responsables de l'appauvrissement de l'ozone et du mercure dans la couche limite, de l'oxydation des hydrocarbures et ont un impact sur la chimie des oxydes d'azote et la capacité oxydante. Au printemps, des halogènes réactifs sont générés via des mécanismes d’ activation photochimique des surfaces salées (par exemple, la neige terrestre, la neige sur la glace de mer, les aérosols) et libérés dans l'atmosphère. Cependant les mécanismes d’émissions et de recyclage de ces composés, leur transport et leurs conséquences sur la chimie atmosphérique polaire sont très complexes et mal définis, ce qui conduit à des simplifications importantes dans les modèles de chimie atmosphérique. A travers le développement et l'utilisation de modèles de chimie atmosphérique, ces travaux de thèse proposent ainsi une étude du rôle des halogènes (chlore et brome) sur la chimie de la couche limite de l'Arctique au printemps.Tout d'abord, nous avons développé et utilisé un modèle unidimensionnel (PACT-1D) pour étudier les émissions d'halogènes moléculaires de la neige de surface et leur impact sur la capacité oxydante dans la couche limite. Le modèle est utilisé pour simuler la chimie réactive des halogènes observée. Les résultats du modèle, appliqué aux observations menées au printemps 2009 pendant la campagne de mesures OASIS (Ocean-Atmospheric-Sea ice-Snowpack) à Utqiagvik, Alaska montrent que le chlore peuvent être confinés dans une couche atmosphérique très fine près de la surface, ce qui entraîne un important gradient de réactivité chimique avec l'altitude. Deuxièmement, nous avons appliqué le modèle tridimensionnel WRF-Chem à l’étude des interactions entre les halogènes, l'ozone et le mercure pendant le printemps arctique. Plusieurs développements majeurs du modèle WRF-Chem ont été sont effectués dans cette thèse, notamment l'ajout d'une nouvelle description chimique du mercure. Le modèle a ensuite ét évalué avec des données uniques du centre de l'Arctique, obtenues lors de l'expédition 2020 de MOSAiC (Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate). Les résultats du modèle ont montré que les émissions de brome et le recyclage de la neige de surface et de la glace de mer sont nécessaires pour mieux représenter les événements d'appauvrissement de l'ozone et du mercure. Nos travaux soulignent ainsi la nécessité d'améliorer les descriptions des émissions de surface dans les modèles afin de représenter avec précision la chimie de la couche limite en Arctique et fournissent une base pour les développements futurs des modèles

Modelling Arctic halogen chemistry and its impacts on ozone and mercury

Les composés halogénés sont des espèces chimiques clés de la réactivité de la basse atmosphère arctique. Ils sont responsables de l'appauvrissement de l'ozone et du mercure dans la couche limite, de l'oxydation des hydrocarbures et ont un impact sur la chimie des oxydes d'azote et la capacité oxydante. Au printemps, des halogènes réactifs sont générés via des mécanismes d’ activation photochimique des surfaces salées (par exemple, la neige terrestre, la neige sur la glace de mer, les aérosols) et libérés dans l'atmosphère. Cependant les mécanismes d’émissions et de recyclage de ces composés, leur transport et leurs conséquences sur la chimie atmosphérique polaire sont très complexes et mal définis, ce qui conduit à des simplifications importantes dans les modèles de chimie atmosphérique. A travers le développement et l'utilisation de modèles de chimie atmosphérique, ces travaux de thèse proposent ainsi une étude du rôle des halogènes (chlore et brome) sur la chimie de la couche limite de l'Arctique au printemps.Tout d'abord, nous avons développé et utilisé un modèle unidimensionnel (PACT-1D) pour étudier les émissions d'halogènes moléculaires de la neige de surface et leur impact sur la capacité oxydante dans la couche limite. Le modèle est utilisé pour simuler la chimie réactive des halogènes observée. Les résultats du modèle, appliqué aux observations menées au printemps 2009 pendant la campagne de mesures OASIS (Ocean-Atmospheric-Sea ice-Snowpack) à Utqiagvik, Alaska montrent que le chlore peuvent être confinés dans une couche atmosphérique très fine près de la surface, ce qui entraîne un important gradient de réactivité chimique avec l'altitude. Deuxièmement, nous avons appliqué le modèle tridimensionnel WRF-Chem à l’étude des interactions entre les halogènes, l'ozone et le mercure pendant le printemps arctique. Plusieurs développements majeurs du modèle WRF-Chem ont été sont effectués dans cette thèse, notamment l'ajout d'une nouvelle description chimique du mercure. Le modèle a ensuite ét évalué avec des données uniques du centre de l'Arctique, obtenues lors de l'expédition 2020 de MOSAiC (Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate). Les résultats du modèle ont montré que les émissions de brome et le recyclage de la neige de surface et de la glace de mer sont nécessaires pour mieux représenter les événements d'appauvrissement de l'ozone et du mercure. Nos travaux soulignent ainsi la nécessité d'améliorer les descriptions des émissions de surface dans les modèles afin de représenter avec précision la chimie de la couche limite en Arctique et fournissent une base pour les développements futurs des modèles.Halogens are an important component of Arctic atmospheric chemistry, responsible for the depletion of boundary layer ozone and mercury, oxidation of hydrocarbons, and impacts on nitrogen oxide chemistry and oxidative capacity. During spring, reactive halogens are photochemically activated on salty surfaces (e.g. land-based snow, snow on sea ice, aerosols) and released into the atmosphere. However, the interplay between polar chemical emissions, recycling, transport, and chemistry is complex and remains poorly understood. As a result, descriptions of such processes in atmospheric chemistry models are largely simplified or neglected. This thesis presents an investigation of the role of halogens (chlorine and bromine) on springtime Arctic boundary layer chemistry, through the development and use of atmospheric chemistry models.First, a 1-dimensional model (PACT-1D) is used to study molecular halogen emissions from surface snow and the impact on oxidative chemistry within the boundary layer. The model is used to simulate reactive halogen chemistry observed during the spring 2009 OASIS (Ocean-Atmospheric-Sea ice-Snowpack) measurement campaign in Utqiagvik, Alaska. Model results show that chlorine can be confined to a very shallow layer near the surface, resulting in a large chemical reactivity gradient with altitude. Second, the 3-dimensional WRF-Chem model is used to investigate the interaction of halogens with ozone and mercury during Arctic spring. Several major WRF-Chem model developments are made in this work, including the addition of a new mercury chemical description. The model is evaluated with unique data from the central Arctic, obtained during the 2020 MOSAiC (Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate) expedition. Model results show that bromine emissions and recycling from surface snow and sea ice are necessary to capture ozone and mercury depletion events. This work highlights a need for improved model descriptions of surface emissions to accurately represent boundary layer chemistry, and provides a basis for future model developments

Modélisation de la chimie arctique des halogènes et de ses impacts sur l'ozone et le mercure

Halogens are an important component of Arctic atmospheric chemistry, responsible for the depletion of boundary layer ozone and mercury, oxidation of hydrocarbons, and impacts on nitrogen oxide chemistry and oxidative capacity. During spring, reactive halogens are photochemically activated on salty surfaces (e.g. land-based snow, snow on sea ice, aerosols) and released into the atmosphere. However, the interplay between polar chemical emissions, recycling, transport, and chemistry is complex and remains poorly understood. As a result, descriptions of such processes in atmospheric chemistry models are largely simplified or neglected. This thesis presents an investigation of the role of halogens (chlorine and bromine) on springtime Arctic boundary layer chemistry, through the development and use of atmospheric chemistry models.First, a 1-dimensional model (PACT-1D) is used to study molecular halogen emissions from surface snow and the impact on oxidative chemistry within the boundary layer. The model is used to simulate reactive halogen chemistry observed during the spring 2009 OASIS (Ocean-Atmospheric-Sea ice-Snowpack) measurement campaign in Utqiagvik, Alaska. Model results show that chlorine can be confined to a very shallow layer near the surface, resulting in a large chemical reactivity gradient with altitude. Second, the 3-dimensional WRF-Chem model is used to investigate the interaction of halogens with ozone and mercury during Arctic spring. Several major WRF-Chem model developments are made in this work, including the addition of a new mercury chemical description. The model is evaluated with unique data from the central Arctic, obtained during the 2020 MOSAiC (Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate) expedition. Model results show that bromine emissions and recycling from surface snow and sea ice are necessary to capture ozone and mercury depletion events. This work highlights a need for improved model descriptions of surface emissions to accurately represent boundary layer chemistry, and provides a basis for future model developments.Les composés halogénés sont des espèces chimiques clés de la réactivité de la basse atmosphère arctique. Ils sont responsables de l'appauvrissement de l'ozone et du mercure dans la couche limite, de l'oxydation des hydrocarbures et ont un impact sur la chimie des oxydes d'azote et la capacité oxydante. Au printemps, des halogènes réactifs sont générés via des mécanismes d’ activation photochimique des surfaces salées (par exemple, la neige terrestre, la neige sur la glace de mer, les aérosols) et libérés dans l'atmosphère. Cependant les mécanismes d’émissions et de recyclage de ces composés, leur transport et leurs conséquences sur la chimie atmosphérique polaire sont très complexes et mal définis, ce qui conduit à des simplifications importantes dans les modèles de chimie atmosphérique. A travers le développement et l'utilisation de modèles de chimie atmosphérique, ces travaux de thèse proposent ainsi une étude du rôle des halogènes (chlore et brome) sur la chimie de la couche limite de l'Arctique au printemps.Tout d'abord, nous avons développé et utilisé un modèle unidimensionnel (PACT-1D) pour étudier les émissions d'halogènes moléculaires de la neige de surface et leur impact sur la capacité oxydante dans la couche limite. Le modèle est utilisé pour simuler la chimie réactive des halogènes observée. Les résultats du modèle, appliqué aux observations menées au printemps 2009 pendant la campagne de mesures OASIS (Ocean-Atmospheric-Sea ice-Snowpack) à Utqiagvik, Alaska montrent que le chlore peuvent être confinés dans une couche atmosphérique très fine près de la surface, ce qui entraîne un important gradient de réactivité chimique avec l'altitude. Deuxièmement, nous avons appliqué le modèle tridimensionnel WRF-Chem à l’étude des interactions entre les halogènes, l'ozone et le mercure pendant le printemps arctique. Plusieurs développements majeurs du modèle WRF-Chem ont été sont effectués dans cette thèse, notamment l'ajout d'une nouvelle description chimique du mercure. Le modèle a ensuite ét évalué avec des données uniques du centre de l'Arctique, obtenues lors de l'expédition 2020 de MOSAiC (Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate). Les résultats du modèle ont montré que les émissions de brome et le recyclage de la neige de surface et de la glace de mer sont nécessaires pour mieux représenter les événements d'appauvrissement de l'ozone et du mercure. Nos travaux soulignent ainsi la nécessité d'améliorer les descriptions des émissions de surface dans les modèles afin de représenter avec précision la chimie de la couche limite en Arctique et fournissent une base pour les développements futurs des modèles

PACT1D/PACT-1D-CALNEX: PACT-1D model version v1 for the CALNEX case study

We present a new one-dimensional chemistry and transport model which performs surface chemistry based on molecular collisions and chemical conversion, allowing us to add detailed HONO formation chemistry at the ground. The model is called Platform for Atmospheric Chemistry and Transport in 1-Dimension (PACT-1D), which is used here for used CALNEX data interpretation as discussed in Tuite et al 2021 (DOI to follow)

Modeling near surface atmospheric chemistry over the central Arctic Ocean during spring (Invited)

International audienceThe composition of the atmosphere in the central Arctic that is in contact with sea ice is controlled by a mix of natural and anthropogenic processes/sources. For example, emissions that originate from the cryosphere (sea ice, snow on sea ice, and leads) control the naturally varying background atmospheric chemistry state. In contrast, episodes of pollution transport from mid-latitude sources can bring large quantities of air pollutants to the central Arctic. We model atmospheric composition (trace gases, aerosols, clouds) during the spring 2020 season using a version of the regional WRF-Chem 4.1.1 model that has been modified to include halogen emissions from snow on sea ice, and is able to represent the influence of the cryosphere on the natural background state of atmospheric composition. We investigate the spring 2020 season, which included both conditions characterized by natural background atmospheric chemistry (Arctic Ocean/cryospheric emissions) as well as episodic transport of air from lower latitudes including pollution transport from Europe to the Central Arctic. We characterize the conditions and meteorological regimes that control these two different atmospheric chemistry conditions (natural vs. anthropogenic influenced) using the WRF-Chem model combined with available observations from satellite remote sensing, the Copernicus Atmosphere Modeling Service, and ERA5 reanalysis. We also focus on understanding when the cryosphere is a source of aerosols and trace gases and when it is a receptor for pollution, including particles such as dust and black carbon that can influence albedo. Finally, we discuss the two way links between atmospheric chemistry and cryospheric change, and provide recommendations for Earth system models that study these processes at longer time scales and their relationship to climatic change

Modeling near surface atmospheric chemistry over the central Arctic Ocean during spring (Invited)

International audienceThe composition of the atmosphere in the central Arctic that is in contact with sea ice is controlled by a mix of natural and anthropogenic processes/sources. For example, emissions that originate from the cryosphere (sea ice, snow on sea ice, and leads) control the naturally varying background atmospheric chemistry state. In contrast, episodes of pollution transport from mid-latitude sources can bring large quantities of air pollutants to the central Arctic. We model atmospheric composition (trace gases, aerosols, clouds) during the spring 2020 season using a version of the regional WRF-Chem 4.1.1 model that has been modified to include halogen emissions from snow on sea ice, and is able to represent the influence of the cryosphere on the natural background state of atmospheric composition. We investigate the spring 2020 season, which included both conditions characterized by natural background atmospheric chemistry (Arctic Ocean/cryospheric emissions) as well as episodic transport of air from lower latitudes including pollution transport from Europe to the Central Arctic. We characterize the conditions and meteorological regimes that control these two different atmospheric chemistry conditions (natural vs. anthropogenic influenced) using the WRF-Chem model combined with available observations from satellite remote sensing, the Copernicus Atmosphere Modeling Service, and ERA5 reanalysis. We also focus on understanding when the cryosphere is a source of aerosols and trace gases and when it is a receptor for pollution, including particles such as dust and black carbon that can influence albedo. Finally, we discuss the two way links between atmospheric chemistry and cryospheric change, and provide recommendations for Earth system models that study these processes at longer time scales and their relationship to climatic change

Modeling near surface atmospheric chemistry over the central Arctic Ocean during spring (Invited)

International audienceThe composition of the atmosphere in the central Arctic that is in contact with sea ice is controlled by a mix of natural and anthropogenic processes/sources. For example, emissions that originate from the cryosphere (sea ice, snow on sea ice, and leads) control the naturally varying background atmospheric chemistry state. In contrast, episodes of pollution transport from mid-latitude sources can bring large quantities of air pollutants to the central Arctic. We model atmospheric composition (trace gases, aerosols, clouds) during the spring 2020 season using a version of the regional WRF-Chem 4.1.1 model that has been modified to include halogen emissions from snow on sea ice, and is able to represent the influence of the cryosphere on the natural background state of atmospheric composition. We investigate the spring 2020 season, which included both conditions characterized by natural background atmospheric chemistry (Arctic Ocean/cryospheric emissions) as well as episodic transport of air from lower latitudes including pollution transport from Europe to the Central Arctic. We characterize the conditions and meteorological regimes that control these two different atmospheric chemistry conditions (natural vs. anthropogenic influenced) using the WRF-Chem model combined with available observations from satellite remote sensing, the Copernicus Atmosphere Modeling Service, and ERA5 reanalysis. We also focus on understanding when the cryosphere is a source of aerosols and trace gases and when it is a receptor for pollution, including particles such as dust and black carbon that can influence albedo. Finally, we discuss the two way links between atmospheric chemistry and cryospheric change, and provide recommendations for Earth system models that study these processes at longer time scales and their relationship to climatic change