Reference : Fluorine in the atmosphere: Inorganic fluorine budget and long-term trends based on F...
Dissertations and theses : Doctoral thesis
Physical, chemical, mathematical & earth Sciences : Earth sciences & physical geography
http://hdl.handle.net/2268/91413
Fluorine in the atmosphere: Inorganic fluorine budget and long-term trends based on FTIR measurements at Jungfraujoch
English
Duchatelet, Pierre mailto [Université de Liège - ULg > Département d'astrophys., géophysique et océanographie (AGO) > Groupe infra-rouge de phys. atmosph. et solaire (GIRPAS) >]
3-May-2011
University of Liège, ​Liège, ​​Belgium
182
Gérard, Jean-Claude mailto
Magain, Pierre mailto
Mahieu, Emmanuel mailto
De Mazière, Martine
Calpini, Bertrand
Camy-Peyret, Claude
[en] FTIR measurements ; hydrogen fluoride ; carbonyl fluoride ; inorganic fluorine budget ; carbon tetrafluoride ; trends
[en] High resolution solar spectra are routinely recorded since more than two decades by the University of Liège at the International Scientific Station of the Jungfraujoch (Swiss Alps, 46.5°N, 8.0°E, 3580 m asl) with Fourier Transform Infrared (FTIR) spectrometers. Over the last years, major improvements have been implemented in the algorithms used to retrieve the abundances of atmospheric constituents accessible to the FTIR technique. Now, in addition to total column, information on the vertical distribution of the target gas is often available, allowing producing partial column data sets. We take advantage of these improvements to generate and characterize long-term total and partial columns time series of some important inorganic fluorinated trace gases deduced from FTIR measurements performed at Jungfraujoch.

First, our investigations on hydrogen fluoride (HF) indicate that the adoption of a Galatry line shape model for this species significantly improves the fitting quality of the retrievals. The sensitivity of our FTIR measurements to HF inversions in three distinct regions that range from the low to the high stratosphere is confirmed thanks to products derived from two satellites and from two numerical models. We further demonstrate that the HF seasonal variations that occur in the low stratosphere are mainly responsible for the seasonal cycle observed in our HF total column time series.

We have also developed an original multi-spectrum multi-window retrieval strategy allowing to derive, for the first time, some information on the vertical distribution of carbonyl fluoride (COF2) from ground-based FTIR measurements. After comparison with model data, our COF2 and HF FTIR datasets are combined to assess the atmospheric inorganic fluorine burden Fy.

A trend analysis of our HF, COF2 and Fy time series is then performed for four different time periods spanning the 1985-2010 time interval. While we observe a recent stabilization for HF, corresponding COF2 data show a significant rise, after a period of significant reduction in its accumulation rate. This is probably ascribable to the combination of the decrease of its main source gas CFC-12 with the increase of the substitute product HCFC-22. However, this increase in the COF2 rate of change does not significantly impact the Fy trend, which is essentially driven by the change in HF. In addition, we show that the partitioning between the two major fluorine reservoirs HF and COF2 has not changed since the beginning of this century. Together, they account for around 95% of total inorganic fluorine in the atmosphere.

Finally, we study the long-term evolution of carbon tetrafluoride (CF4), for the first time from ground-based FTIR measurements. The trend analysis of our time series indicates a slowing, initiated during the nineties, in the CF4 growth rate despite the fact that the absolute loading of this compound is still increasing. Our linear accumulation rates are consistent with those deduced from space or surface measurements.
[fr] Des spectres d’absorption solaire à haute résolution sont enregistrés de façon régulière depuis plus de vingt ans par l’Université de Liège à la Station Scientifique Internationale du Jungfraujoch (Alpes suisses, 46.5°N, 8.0°E, 3580 m) à l’aide de spectromètres par transformée de Fourier opérant dans l’infrarouge (FTIR). Au cours des dernières années, d’importantes améliorations ont été apportées aux algorithmes d’inversion des observations FTIR. Il est maintenant possible de déduire de l’information sur la distribution verticale du gaz cible et de générer des ensembles de données de colonnes partielles en plus des colonnes totales. Nous tirons profit de ces améliorations pour produire et caractériser les séries temporelles à long terme de colonnes totale ou partielle de quelques principaux gaz en trace inorganiques fluorés, au départ des données FTIR enregistrées au Jungfraujoch.

Tout d’abord, nos investigations menées sur le fluorure d’hydrogène (HF) indiquent que l’adoption pour ce gaz d’un modèle de raie de Galatry aide à minimiser de façon significative les résidus systématiques des inversions. La sensibilité de nos mesures FTIR aux inversions de HF dans trois régions de la basse à la haute stratosphère est confirmée à l’aide des produits correspondant issus de deux satellites et de deux modèles numériques. Nous démontrons en outre que ce sont les variations saisonnières de HF ayant lieu dans la basse stratosphère qui dictent le cycle saisonnier observé dans notre série des colonnes totales de HF.

Nous avons également développé une stratégie d’inversion originale qui combine plusieurs spectres FTIR et plusieurs micro-fenêtres spectrales afin d’obtenir, pour la première fois, de l’information sur la distribution verticale de l’oxyfluorure de carbone (COF2) à partir de mesures FTIR sol. Après comparaison avec des données issues de modèles, nos abondances FTIR de COF2 sont combinées à celles de HF afin de déterminer et de caractériser la charge atmosphérique en fluor inorganique Fy.

Une analyse de tendance de nos séries temporelles de HF, COF2 et Fy est ensuite réalisée pour quatre périodes différentes entre 1985 et 2010. Tandis qu’une stabilisation dans le taux de croissance de HF est observée, le taux d’accumulation de COF2 ré-augmente de manière significative après une période de croissance moins soutenue. Cela résulte probablement des effets combinés de la diminution de son principal gaz source CFC-12 et de l’augmentation du produit de substitution HCFC-22. Toutefois, cette augmentation du taux de croissance de COF2 n’influence pas significativement le taux de croissance de Fy qui demeure assez stable au cours des dix dernières années. En outre, le partitionnement entre les deux principaux réservoirs de fluor HF et COF2 n’a pas évolué depuis le début du XXIe siècle. Ensemble, ils représentent environ 95% de la charge totale de fluor inorganique présent dans l’atmosphère.

Finalement, nous étudions l’évolution à long terme du tétrafluorure de carbone (CF4), pour la première fois à partir de mesures FTIR sol. L’analyse de notre série temporelle indique un ralentissement, initié dans les années 1990, du taux d’accumulation de ce composé, même si sa charge atmosphérique absolue augmente toujours. Les taux linéaires d’accumulation que nous avons déduits sont cohérents avec ceux obtenus à partir de mesures spatiales ou de surface.
Researchers ; Professionals ; Students ; Others
http://hdl.handle.net/2268/91413

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