27 octobre 2016

Les substances qui rendent les nuages blancs

Communiqués de presse Energie et environnement Environnement

Les nuages sont faits de minuscules gouttelettes. Celles-ci se forment lorsque l’eau se condense sur de petites particules en suspension dans l’atmosphère appelées aérosols. Les modalités d’apparition des aérosols revêtent donc une importance décisive pour comprendre la blancheur des nuages et, ainsi, le climat et le changement climatique. Les participants d’une collaboration de recherche – des chercheurs de l’Université de Leeds, du CERN, de l’Institut Paul Scherrer PSI et de nombreux instituts dans le monde – ont à présent effectué une vaste simulation numérique fondée sur des données expérimentales étendues. Or cette simulation montre qu’outre l’acide sulfurique, deux autres substances jouent un rôle décisif dans l’apparition d’aérosols: certains composés organiques et l’ammoniac. Les résultats de recherche viennent d’être publiés dans Science, la revue spécialisée renommée.

Pour la première fois, des chercheurs ont effectué une simulation numérique de la formation de particules dans l’atmosphère, basée intégralement sur des données expérimentales. Les expériences en question ont été conduites au fil de nombreuses années dans un laboratoire spécial et sophistiqué: la chambre CLOUD du CERN.

Les simulations basées sur ces expériences montrent que les particules atmosphériques – appelées aérosols – sont issues d’amas ou de clusters de molécules incluant de l’acide sulfurique, des composés organiques et de l’ammoniac. On connaissait depuis longtemps le rôle important joué par l’acide sulfurique dans le processus de nucléation à l’origine des particules aérosols. Mais les nouveaux résultats de recherche montrent que certains composés organiques et l’ammoniac y contribuent aussi de manière décisive.

Il n’y a pas que l’acide sulfurique: certains composés organiques et l’ammoniac sont indispensables à la nucléation, nous ne pouvons pas ignorer leur contribution plus longtemps, relève Urs Baltensperger, directeur du Laboratoire de chimie de l’atmosphère à l’Institut Paul Scherrer PSI et coauteur de la nouvelle étude.

Alors que la simulation numérique innovante a été dirigée par des chercheurs à l’Université de Leeds, les scientifiques du PSI ont joué un rôle déterminant dans les mesures CLOUD à la base de cette même simulation. C’est aussi grâce à eux que certains composés organiques ont été inclus dans les mesures. Dès le début, nous étions certains de l’importance des composés organiques et nous avons insisté pour qu’ils fassent partie du projet commun, se souvient Urs Baltensperger.

Urs Baltensperger et ses collaborateurs au PSI ont aussi contribué aux mesures d’ammoniac, en développant une méthode qui a permis de déterminer les concentrations d’ammoniac bien en-deçà de l’ancien seuil de détection. Ce point s’est avéré très important, poursuit le chercheur. Nos tout derniers résultats montrent que certaines concentrations d’ammoniac, que l’on était incapables de détecter auparavant, augmentent nettement le taux de nucléation comparé à l’acide sulfurique seul, suivant les circonstances jusqu’à 100 fois!

La nouvelle simulation numérique a également montré que les processus d’ionisation déclenchés dans l’atmosphère par le rayonnement cosmique étaient responsables de la formation de près d’un tiers de toutes les particules aérosols. Toutefois, les simulations indiquent aussi que lorsque le taux de rayonnement cosmique présente de faibles variations, la formation d’aérosols ne se modifie pas suffisamment pour avoir une influence notable sur le climat actuel.

L’expérience CLOUD

Les chercheurs à l’expérience CLOUD du CERN examinent un problème complexe, sur lequel la recherche en sciences atmosphériques butte depuis longtemps: la question des modalités précises d’apparition de nouvelles particules dans l’atmosphère et de l’impact de ces aérosols sur le climat. La pollution atmosphérique augmente la concentration d’aérosols, ce qui entraîne la formation de gouttelettes supplémentaires et ainsi de nuages plus blancs, ce qui contribue donc à refroidir la Terre. En effet, des nuages plus blancs réfléchissent davantage les rayons du soleil vers l’espace; on suppose que ce mécanisme a compensé jusqu’ici une grande partie du réchauffement climatique induit par les gaz à effet de serre issus de l’activité humaine.

L’objectif principal de l’expérience CLOUD est de mieux comprendre la formation des aérosols dans l’atmosphère. Celle-ci passe par un processus appelé nucléation. Il y a nucléation lorsque certaines molécules s’agglomèrent dans l’atmosphère pour former de nouvelles particules. La nucléation est importante si l’on veut comprendre le climat, car selon les estimations actuelles, près de la moitié des gouttelettes qui composent les nuages se forment sur des particules aérosols qui se sont constituées de cette manière.

A l’expérience CLOUD, la nucléation d’aérosols est mesurée dans une chambre spécialement construite à cet effet, dans des conditions très contrôlées en termes d’environnement et de concentrations de gaz précurseurs de nucléation. Des instruments ultramodernes suivent la formation de particules, des premiers clusters moléculaires jusqu’aux particules d’une centaine de nanomètres de diamètre, susceptibles d’entraîner la formation des gouttelettes qui composent les nuages. La chambre CLOUD présente des niveaux d’impureté extrêmement faibles, ce qui permet aux chercheurs de mesurer la nucléation induite par des quantités contrôlées de gaz sélectionnés, sans que cela soit compliqué par l’impact de gaz inconnus. Autre aspect unique de CLOUD: la possibilité qu’offre cette expérience de mesurer les effets de molécules chargées électriquement, dont l’apparition est induite par le rayonnement cosmique.

CLOUD nous permet de mieux comprendre la formation des particules aérosols dans l’atmosphère

Cela fait plus de 30 ans que des chercheurs développent des simulations numériques de la chimie de l’atmosphère sur la base des vitesses de réactions chimiques mesurées en laboratoire. Depuis longtemps, ces simulations jouent un rôle décisif dans notre compréhension de l’atmosphère, entre autres pour les prévisions concernant la pollution de l’air et la destruction de la couche d’ozone. Mesurer de manière fiable la formation des particules en laboratoire présente d’énormes défis, raison pour laquelle une connaissance aussi exhaustive des particules aérosols en suspension dans l’atmosphère était impossible auparavant.

Texte basé sur un communiqué de presse de l’Université de Leeds avec des compléments de l’Institut Paul Scherrer

À propos du PSI

L'Institut Paul Scherrer PSI développe, construit et exploite des grandes installations de recherche complexes et les met à la disposition de la communauté scientifique nationale et internationale. Les domaines de recherche de l'institut sont centrés sur la matière et les matériaux, l'énergie et l'environnement ainsi que la santé humaine. La formation des générations futures est un souci central du PSI. Pour cette raison, environ un quart de nos collaborateurs sont des postdocs, des doctorants ou des apprentis. Au total, le PSI emploie 2000 personnes, étant ainsi le plus grand institut de recherche de Suisse. Le budget annuel est d'environ CHF 370 millions. Le PSI fait partie du domaine des EPF, les autres membres étant l'ETH Zurich, l'EPF Lausanne, l'Eawag (Institut de Recherche de l'Eau), l'Empa (Laboratoire fédéral d'essai des matériaux et de recherche) et le WSL (Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et le paysage). Mise à jour: mai 2016)
Informations supplémentaires
http://psi.ch/LRV4 – Les mesures d’aujourd’hui renseignent sur les nuages du passé
Contact
Prof. Dr Urs Baltensperger, directeur du Laboratoire de chimie de l'atmosphère,
Institut Paul Scherrer, 5232 Villigen PSI, Suisse
Téléphone: +41 56 310 24 08, portable: +41 79 679 65 34, e-mail: urs.baltensperger@psi.ch [allemand, anglais]
Publication originale
Global atmospheric particle formation from CERN CLOUD measurements
E. M. Dunne et al.
Science 27 octobre 2016
DOI: 10.1126/science.aaf2649