Christophe Boissard

TROPOZ II: Global distributions and budgets of methane and light hydrocarbons

One hundred atmospheric samples were collected aboard the French Caravelle research aircraft, during the TROPOZ II experiment (January 1991). Tropospheric meridional distributions versus height were then derived from 70° N to 60° S and between 0.25 km and 11 km for methane, acetylene, ethane and propane. Areas of significant emissions were identified over northern latitudes with, for acetylene, maximum mixing ratios in the north (1.896 ppbv) more than 70 times higher than in background southern latitudes (0.025 ppbv). The influence of emissions from biomass burning was also obvious in the tropical boundary layer. Significant dynamic phenomena led to high mixing ratio zones above 8 or 10 km even for the most reactive hydrocarbons.For the first time, simultaneous assessment of global tropospheric contents of several light hydrocarbons was carried out. Using TROPOZ II data (January 1991) and STRATOZ III data (June 1984) collected by Rudolph (1988) during similar aircraft flights in 1988, the following tropospheric loads (in Tg-compound) were estimated, in January 1991 and June 1984, respectively: 1.1 and 0.4 for acetylene, 5.0 and 3.9 for ethane, 3.6 and 1.4 for propane and 3545 for methane in January only. According to our results, 40 to 65% of acetylene and alkanes are oxidized in the tropics. In addition, by computing the annual tropospheric sink of acetylene and alkanes, an evaluation of their annual global fluxes was performed. The figures are, in Tg-compound y-1 with an uncertainty of 80% to an order of magnitude, based on January and June data, respectively: 10 and 6.6 for acetylene, 16.3 and 17.6 for ethane and 52.3 and 26.5 for propane.

Isoprene emissions from downy oak under water limitation during an entire growing season: what cost for growth?

Increases in the production of terpene- and phenolic-like compounds in plant species under abiotic stress conditions have been interpreted in physiological studies as a supplementary defense system due to their capacity to limit cell oxidation. From an ecological perspective however, these increases are only expected to confer competitive advantages if they do not imply a significant cost for the plant, that is, growth reduction. We investigated shifts of isoprene emissions, and to a lesser extent phenolic compound concentration, of Quercus pubescens Willd. from early leaf development to leaf senescence under optimal watering (control: C), mild and severe water stress (MS, SS). The impact of water stress was concomitantly assessed on plant physiological (chlorophyll fluorescence, stomatal conductance, net photosynthesis, water potential) functional (relative leaf water content, leaf mass per area ratio) and growth (aerial and root biomass) traits. Growth changes allowed to estimate the eventual costs related to the production of isoprene and phenolics. The total phenolic content was not modified under water stress whereas isoprene emissions were promoted under MS over the entire growing cycle despite the decline of Pn by 35%. Under SS, isoprene emissions remained similar to C all over the study despite the decline of Pn by 47% and were thereby clearly uncoupled to Pn leading to an overestimation of the isoprene emission factor by 44%. Under SS, maintenance of isoprene emissions and phenolic compound concentration resulted in very significant costs for the plants as growth rates were very significantly reduced. Under MS, increases of isoprene emission and maintenance of phenolic compound concentration resulted in moderate growth reduction. Hence, it is likely that investment in isoprene emissions confers Q. pubescens an important competitive advantage during moderate but not severe periods of water scarcity. Consequences of this response for air quality in North Mediterranean areas are also discussed.

Global Modelling of Volatile Organic Compound Emissions

The majority of volatile organic compounds emitted from the terrestrial biosphere (BVOCs) are highly reactive hydrocarbons that have been shown to affect atmospheric composition across the full range of temporal scales from fractions of seconds to centuries and spatial scales from μm to global. Furthermore, biogenic emissions are thought to account for around 90 % of the total quantity of non-methane hydrocarbons released into the atmosphere each year. As a result, BVOCs have substantial air quality and climate impacts, and there is an urgent need to quantify and map their emissions as precisely as possible. In this chapter we outline the use of computer models to estimate annual global emissions of BVOCs and the on-going efforts to validate and constrain the output from such models. The current generation of BVOC emission models generally includes only the constitutive emissions of a handful of compounds: chiefly isoprene, monoterpenes and methanol, which are thought to account for about 80 % of the total flux from the biosphere. At present, it is estimated by global models that total annual emission of isoprene amounts to around 500 Tg of carbon, with the emissions dominated by tropical ecosystems and by tree species. The emissions of monoterpenes are similarly distributed, although high levels of monoterpene emissions are also seen from the boreal forests. There is currently no consensus on the annual estimate of monoterpene emission, with estimates ranging from 30 to 150 Tg of carbon. Apart from these main compounds, the biosphere emits many hundreds of different compounds, some of which are produced as a short-lived, transient response to stress rather than as constitutive emissions. We discuss the role that biogenic emissions of reactive trace gases play in the Earth system as a whole, and consider the potential feedbacks that exist between BVOC emissions, atmospheric composition, air quality and climate, and the terrestrial biosphere, and how these can be studied with Earth system models. We finally suggest ways of improving and further developing the global models.

Contribution of Tropical Biomass Burning to the Global Budget of Hydrocarbons, Carbon Monoxide and Tropospheric Ozone

The emission of light hydrocarbons and carbon monoxide from savanna burning and wood charcoal production emissions in the tropics is derived from “insitu” measurements in Ivory coast, and extrapolated to the world. The contribution of wood burning from domestic use and deforestation is estimated from litterature data. These productions are introduced in a 3-D global tropospheric model in order to derive the impact on the tropospheric ozone (O3) and hydroxyl (OH) radical budgets. It is calculated that biomass burning is enhancing by up to 50% the surface O3 and OH concentrations in the tropics. 10% of the global net chemical production of O3 in the troposphere is related to NOx, CO, CH4, C2H6 and C3H8 emissions from tropical biomass burning.

Chronic Drought Decreases Anabolic and Catabolic BVOC Emissions of Quercus pubescens in a Mediterranean Forest

Biogenic volatile organic compounds (BVOC) emitted by plants can originate from both anabolism (metabolite production through anabolic processes) and catabolism (metabolite degradation by oxidative reactions). Drought can favor leaf oxidation by increasing the oxidative pressure in plant cells. Thus, under the precipitation decline predicted for the Mediterranean region, it can be expected both strong oxidation of anabolic BVOC within leaves and, as a result, enhanced catabolic BVOC emissions. Using an experimental rain exclusion device in a natural forest, we compared the seasonal course of the emissions of the main anabolic BVOC released by Q. pubescens (isoprene and methanol) and their catabolic products (MACR+MVK+ISOPOOH and formaldehyde, respectively) after 3 years of precipitation restriction (−30% of rain). Thus, we assume that this repetitive amplified drought promoted a chronic drought. BVOC emissions were monitored, on-line, with a PTR-ToF-MS. Amplified drought decreased all BVOC emissions rates in spring and summer by around 40–50 %, especially through stomatal closure, with no effect in autumn. Moreover, ratios between catabolic and anabolic BVOC remained unchanged with amplified drought, suggesting a relative stable oxidative pressure in Q. pubescens under the water stress applied. Moreover, these results suggest a quite good resilience of this species under the most severe climate change scenario in the Mediterranean region.

Étude des composés organiques volatils biogéniques émis par une forêt méditerranéenne

Investigating biogenic volatile organic compounds emitted by a Mediterranean forest Volatile organic compounds (VOCs) are key components in atmospheric chemistry. On a global scale, biogenic VOCs (BVOCs)constituteapproximately 90 % of global VOC emissions. They participate in photochemical reactions and thus play a major role in the formation of tropospheric ozone and secondary organic aerosols. However, the impact of BVOCs on air quality is still characterized by large uncertainties, partly because emissions are not well quantified. As part of the Canopee project, a field campaign took place at the Oak Observatory of the Observatoire de Haute-Provence (O3HP), with the aim of quantifying BVOC emissions from a forest representative of the Mediterranean region. Measurements of concentrations and emission fluxes were carried out from the branch to the canopy level. Branch-level measurements enabled a better understanding of the environmental and physiological parameters of the plant that govern emissions. Fluxmeasurements above the top of the canopy enabled us to quantify the outgoing flow of BVOCs from the forest entering the troposphere. The results showed that white oak is a strong emitter of isoprene but a weak emitter ofmethanol andmonoterpenes.Isoprene emission fluxes were estimated at 7.2 mg m-2 h-1 (under standard conditions of temperature and solar radiation), thusmaking theO3HP forest one of the strongest isoprene emitting ecosystemsworldwide. Les monoterpènes (n = 2) sont, quant à eux, essentiellement produits par les résineux. Ce sont des molécules aromatiques responsables des odeurs des plantes. Par exemple, l’odeur caractéristique des agrumes provient de monoterpènes appelés limonènes. Les sesquiterpènes (n = 3) sont une composante majeure des huiles essentielles stockées par certaines plantes, en particulier les arbres à feuilles larges. Ils font partie des COVB ayant été les moins étudiés à ce jour, du fait de leur découverte plus récente, et des difficultés de leur détermination analytique. Parmi les autres COVB, on distingue divers composés oxygénés dont les alcools, aldéhydes, esters et acides organiques. Les taux d’émission des COVB sont très variables selon les espèces et dépendent de paramètres biotiques (métabolisme, physiologie de la plante...) et abiotiques (température, intensité du rayonnement solaire, humidité et autres paramètres physico-chimiques). CesCOVBparticipent aux régulations allélopathiques que met en place la plante avec son environnement, par exemple pour attirer les insectes pollinisateurs ou encore pour se défendre de prédateurs. Ils peuvent notamment résulter d’un stress subi par la plante (chaleur, sécheresse, présence de polluants tels que l’ozone). Toutefois, de grandes incertitudes demeurent encore quant à leur mécanisme de synthèse et au rôle écologique de leur production. Les émissions de COVB à l’échelle globale sont estimées à environ 1 000 Tg an–1 (Guenther et al., 2012), dont environ 71 % proviennent des arbres, 17 % des arbustes, 10 % des cultures et 0,4 % des océans (Guenther et al., 1995). Ces estimations reposent sur des données expérimentales qui servent de paramètres importants dans les outils de modélisation. Néanmoins, ces données de « terrain » sont sporadiques et ne peuvent pas facilement être extrapolées à l’ensemble du globe ; les estimations de flux qui en résultent comportent par conséquent de fortes incertitudes. Rôle des COV biogéniques en chimie atmosphérique Parmi les molécules biogéniques, nombreuses sont celles constituées d’au moins une double liaison oléfinique1 qui les rend extrêmement réactives. Ainsi, en dépit de leurs concentrations atmosphériques relativement faibles, ce sont des éléments clés de la chimie troposphérique. Ces molécules réagissent rapidement avec les oxydants tels que les radicaux hydroxyles OH et influencent ainsi sensiblement la capacité oxydante de l’atmosphère (Mégie, 1996), et donc la durée de vie des composés gazeux comme le méthane, gaz à effet de serre notoire (Chiemchaisri et al., 2001 ; Wuebbles et al., 1989). Les COVB jouent également un rôle clé dans le cycle de l’ozone troposphérique. En présence de concentrations suff isamment élevées en oxydes d’azote (NOx) et de lumière, les COVB peuvent être d’importants précurseurs d’ozone (Chameides et al., 1988 ; Curci et al., 2010 ; Jacob et Wofsy, 1988 ; Lee et al., 2006). Les émissions de COVB étant fortement dépendantes de la température et de l’ensoleillement, ces composés jouent un rôle parfois significatif dans les niveaux d’ozone atteints en été, lors des épisodes de pollution pendant les périodes anticycloniques, dans des zones péri-urbaines à proximité de sites forestiers importants. Une étude récente estime que les émissions de COVB sont à l’origine d’une augmentation de 5 à 15 ppbv2 (jusqu’à 20 ppbv en 2003) des niveaux d’ozone troposphérique dans le bassin méditerranéen en été (Curci et al., 2010). À partir de scénarios futurs, Lathière et al. (2005) ont estimé une augmentation globale de 70 % des émissions de COVB en 2100 par rapport à nos jours, en prenant en compte l’impact des changements de climat et de CO2 atmosphérique. En incluant ces émissions futures dans un modèle global de chimie-transport, Hauglustaine et al. (2005) ont calculé une augmentation de l’ozone de surface de 30 à 50 % en été dans les régions continentales de l’hémisphère Nord. Par ailleurs, plusieurs études ont démontré que l’oxydation des monoterpènes (C10H16), des sesquiterpènes (C15H24) et, dans une moindre mesure, de l’isoprène, contribuait à la formation d’aérosols organiques secondaires dans la troposphère (Claeys et al., 2004 ; Griffin et al., 1999) ; de fortes incertitudes demeurent cependant quant à la compréhension et la quantification de ces phénomènes. L’ensemble de ces 1. Liaison oléfinique : double liaison C=C. 2. ppbv : partie par milliard sur une base volumique. 1 ppbv du composé x = 1 volume de x dans 109 volumes du mélange gazeux. 44 La Météorologie n° 93 mai 2016 Figure 1. Chambre dynamique en téflon enfermant une branche de chêne blanc au sommet de la canopée. éléments justif ie qu’on étudie en particulier les COVB afin de mieux comprendre les processus qui contrôlent la qualité de l’air et l’évolution du climat. De l’échelle de la feuille à celle du globe Depuis les années 1960, de nombreuses équipes scientif iques œuvrent à mesurer les flux d’émission et les concentrations des COVB à différentes échelles spatiales et temporelles, à partir de diverses plateformes instrumentales. À l’échelle de la plante, des études en milieu contrôlé permettent de quantifier de manière précise les taux d’émissions de COVB par quantité de biomasse. Toutefois, ces études ne peuvent être appliquées que sur un nombre très limité d’espèces en raison de la complexité du système expérimental. Les mesures dans l’air libre (au-dessus de forêts, champs, etc.) intègrent quant à elles les émissions d’un ensemble de végétaux constituant un écosystème. Enfin, des mesures aéroportées permettent d’étudier la chimie et le transport atmosphérique des COVB à des échelles spatiales encore plus larges. L’ensemble de ces données peut ensuite être intégré dans divers outils de modélisation numérique afin d’estimer les émissions de COVB à l’échelle globale, le devenir de ces émissions, ainsi que leur impact sur la qualité de l’air et le climat. Mesure des concentrations atmosphériques Pour la mesure des COV dans l’air, on distingue les méthodes indirectes (off-line) des méthodes directes (on-line). Dans les méthodes indirectes, les échantillons gazeux sont analysés en différé au laboratoire. Les méthodes directes permettent, quant à elles, le prélèvement et l’analyse simultanés d’échantillons d’air. Elles présentent donc l’avantage de fournir des données sur le terrain, avec une meilleure résolution temporelle et sans artefact lié à la conservation de l’échantillon. Parmi les nombreuses méthodes on-line, on distingue un outil novateur, sensible et rapide : le spectromètre de masse par réaction de transfert de proton (PTR-MS ou proton transfer reaction-mass spectrometry). Cette nouvelle technologie a ouvert la voie à de nombreux développements dans la recherche sur les émissions de COVB (de Gouw et Warneke, 2007). Ne nécessitant aucune préparation de l’échantillon préalable à l’analyse, il permet la mesure in situ et en temps réel d’une large gamme de composés (terpènes, aldéhydes, cétones, oxygénés...) simultanément dans l’air, avec une limite de détection d’une dizaine de pptv3 pour la plupart des masses mesurées. Mesure des flux d’émission Afin d’étudier les processus d’échange entre la biosphère et l’atmosphère, des techniques de mesure des flux ont été développées. Par convention, on appelle « flux d’émission » un flux vers l’atmosphère et « flux de dépôt » un flux vers la surface. De manière générale, on distingue les méthodes de chambre (couvrant des surfaces naturelles de l’ordre de 0,1 à 1 m2) et les méthodes micrométéorologiques, qui permettent d’intégrer les flux sur des surfaces plus grandes, de quelques dizaines de mètres carrés à plusieurs kilomètres carrés. À l’échelle de la plante Les chambres d’enfermement dynamiques permettent d’enfermer un végétal (soit en partie, soit dans son intégralité, selon sa taille) et d’étudier ses échanges gazeux avec l’atmosphère environnante (figure 1). Pour comprendre les processus qui se déroulent à l’intérieur de la chambre (émission ou absorption de gaz), il est nécessaire de déterminer les teneurs des gaz entrant mais également sortant de la chambre. Parmi les composés cibles, la vapeur d’eau et le dioxyde de carbone sont mesurés à chaque instant et vont témoigner des processus photosynthétiques du végétal. De même, des prélèvements sur cartouches (ou via un analyseur en ligne) sont effectués afin d’estimer la quantité de COV émis par la plante dans l’enceinte. Les taux d’émission des COVB sont calculés à partir de la différence de concentration d