Atmospheric bromine monoxide: multi-platform observations and model calculations

This work describes remote-sensing observations of bromine monoxide (BrO) derived from scattered sunlight spectra in the ultraviolet region measured by ground-based multi-axis and satellite nadir viewing instruments (GOME and GOME-2). The method of differential optical absorption spectroscopy is used to retrieve the columnar concentration of BrO along the effective light path through the atmosphere. New algorithms to derive vertical columns of BrO resolved into their stratospheric and tropospheric contributions are developed and described. For the ground-based geometry a way was found to determine independently the stratospheric and tropospheric BrO columns from the diurnal variation of the BrO measurements. For the satellite observations, the contribution of the stratospheric BrO to the measured column is estimated using an innovative stratospheric BrO climatology. This climatology is based on a state-of-the-art stratospheric chemical transport model, and explicitly accounts for the impact of atmospheric dynamics and photochemistry on the stratospheric BrO distribution. As for the tropospheric fraction of the measured total BrO column, it is derived using a residual technique accounting for the effects of clouds and surface reflectivity.

Supported by an extensive set of correlative data, the results presented here allow to study properly the spatial and temporal evolution of atmospheric BrO at the global scale and enable to better assess the significance of BrO in the polar planetary boundary layer and free-troposphere as well as the contribution from very short-lived brominated sources gases to the stratospheric bromine budget. We also report on the first satellite detection of BrO in a volcanic plume, using GOME-2 measurements.

Les composés bromés jouent un rôle important dans la stratosphère et la troposphère en tant que catalyseurs de la destruction d’ozone. Bien que l’impact des espèces bromées sur la chimie de la stratosphère soit largement compris, il reste de nombreuses incertitudes en ce qui concerne les sources et les pertes de brome dans l’atmosphère ainsi qu’à propos de la chimie et de l’impact des espèces bromées sur la troposphère.

Le travail présenté dans ce manuscrit porte sur la télédétection du monoxyde de brome (BrO) à partir de spectres du rayonnement solaire diffusé, mesurés dans l’ultraviolet à partir d’instruments au sol de type multi-axis et satellitaires à visée nadir (GOME et GOME-2). La méthode de spectroscopie d’absorption optique différentielle est utilisée pour inverser la colonne intégrée de BrO le long du chemin optique effectif dans l’atmosphère. Nous avons développé de nouveaux algorithmes afin de dériver les colonnes verticales de BrO résolues en leurs contributions stratosphérique et troposphérique. Pour la géométrie d’observation au sol, un moyen a été trouvé pour déterminer indépendamment les colonnes de BrO stratosphérique et troposphérique, et cela à partir de la variation diurne des mesures de BrO. Pour les observations satellitaires, la contribution de la stratosphère à la colonne mesurée de BrO est estimée à partir d’une climatologie innovante de BrO stratosphérique. Cette climatologie est basée sur un modèle de pointe de la chimie et du transport de la stratosphère; par ailleurs, elle tient compte explicitement de l’impact de la dynamique atmosphérique et de la photochimie sur la distribution du BrO dans la stratosphère. La fraction troposphérique de la colonne totale mesurée de BrO est quant à elle dérivée à partir d’une technique résiduelle tenant compte des effets des nuages et de la réflectivité de la surface.

Soutenus par un vaste jeu de données corrélatives, les résultats présentés dans ce travail permettent d’étudier de manière appropriée l’évolution spatiale et temporelle du BrO atmosphérique à l’échelle globale. Ces résultats permettent également de mieux estimer l’importance du BrO dans la couche limite planétaire polaire et dans la troposphère libre ainsi que la contribution des précurseurs bromés à temps de vie court sur le budget de brome dans la stratosphère. Nous présentons également la première détection satellitaire de BrO dans un panache volcanique, à l’aide de mesures effectuées avec l’instrument GOME-2.