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Posté par Isabelle le Lundi 19/01/2015 à 12:00
Nuages et réduction de la pollution atmosphérique
La surface des gouttelettes d'eau des nuages contribuerait à réduire la pollution atmosphérique

Les gouttelettes d’eau dans les nuages permettraient d'atténuer les effets de la pollution atmosphérique car leur surface agirait comme une source additionnelle de radicaux hydroxyles, des espèces hautement oxydantes qui jouent le rôle de « détergent » de l’atmosphère. C’est la principale conclusion de simulations numériques menées conjointement par des chimistes théoriciens de l’Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for...) Jean Barriol (CNRS / Université de Lorraine), un laboratoire de Barcelone (Barcelone (Barcelona en catalan et en castillan) est une commune de Catalogne - Espagne, située dans la province de Barcelone. Elle est la capitale historique, administrative et économique...) et un laboratoire américain de l’Université de Purdue. Ce travail suggère que les nuages pourraient donc contribuer à la capacité oxydative globale de la troposphère. Ces résultats sont parus dans la revue PNAS.


© Manuel Ruiz-Lopez

L’ozone (L’ozone (ou trioxygène) est un composé chimique comportant 3 atomes d’oxygène (O3). Sa structure est une résonance entre trois états. Métastable aux conditions...) est un constituant minoritaire mais essentiel de l’atmosphère terrestre. Dans la haute atmosphère, la stratosphère, la couche d’ozone forme un écran moléculaire qui protège les êtres vivants contre les rayonnements ultraviolets de haute énergie. La destruction partielle de cette couche sous l’effet de polluants liés aux activités humaines (dont les fameux ChloroFluoroCarbones ou CFC) est un phénomène avéré qui implique des risques importants pour la vie (La vie est le nom donné :) terrestre et fait donc l’objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être...) d’une surveillance très attentive. L’ozone est également un constituant fondamental de la basse atmosphère, la troposphère, où il est formé à partir d’un cycle complexe de réactions chimiques et photochimiques dans lesquelles interviennent les composés organiques volatiles (les COV), les oxydes d’azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote...), et la lumière.

Les COV peuvent être d’origine naturelle (émanations des plantes) ou anthropique (solvants organiques, gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à occuper tout le...) d’échappement des véhicules, etc). Une petite quantité de l’ozone troposphérique est donc d’origine naturelle. Mais la pollution (La pollution est définie comme ce qui rend un milieu malsain. La définition varie selon le contexte, selon le milieu considéré et selon ce que l'on peut entendre par malsain [1].) liée aux activités humaines peut conduire à une augmentation significative de sa concentration et l’ozone devient alors un polluant (Le polluant a pour définition la plus souvent retenue : un altéragène biologique, physique ou chimique, qui audelà d'un certain seuil, et parfois dans certaines conditions...) toxique qui peut provoquer des maladies respiratoires ou cardiovasculaires, et avoir des effets délétères sur la végétation, les forets et le rendement des récoltes.

L’ozone est une espèce formée par trois atomes d’oxygène. Il est relativement peu stable puisque le rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) ultraviolet (Le rayonnement ultraviolet (UV) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde intermédiaire entre celle de la lumière visible et celle des rayons X.) et la lumière visible provoquent sa photolyse, qui conduit à une molécule de dioxygène et à un atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est...) d’oxygène. Or, ce dernier est très réactif et peut se combiner facilement avec des molécules d’eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) ou de méthane dans la troposphère pour former des radicaux hydroxyles qui agissent comme des véritables agents nettoyants, favorisant l’oxydation des hydrocarbures et la dégradation de molécules polluantes. Certaines mesures expérimentales montrent cependant que la concentration de radicaux hydroxyles est supérieure à celle prédite par les modèles atmosphériques actuels et suggèrent donc l’existence des sources encore inconnues de cette espèce chimique.

Dans le travail publié au PNAS, les auteurs se sont intéressés à la possible influence des nuages sur le processus de photolyse de l’ozone et de formation des radicaux hydroxyles. Le fait que les nuages et les aérosols de diverses origines puissent avoir une influence directe sur la composition chimique de l’atmosphère est une hypothèse de plus en plus souvent évoquée, avec à l’appui un certain nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de mesures de terrain et de données théoriques. Il s’agit d’un sujet capital car les prévisions des modèles atmosphériques actuels, par exemple en terme de changement climatique, sont principalement basées sur une chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou...) en phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) gazeuse et ne prennent donc pas en compte les nuages. Malheureusement, les études expérimentales dans ce domaine sont délicates et l’état de connaissances est encore très insuffisant. C’est la raison pour laquelle les chercheurs se sont intéressés à la simulation numérique des processus.

Pour ce faire, le laboratoire nancéen a développé une méthodologie originale basée sur la combinaison (Une combinaison peut être :) de diverses techniques de chimie théorique, allant de la chimie quantique (La chimie quantique est l'application de la mécanique quantique aux problèmes de la chimie.) à la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) moléculaire. Dans leur approche, il est possible de modéliser un système moléculaire complexe (comme la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa mesure,...) d’une gouttelette d’eau) en fonction du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) et de simuler le déroulement d’une réaction chimique s’y produisant. L’analyse statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon. D'une façon générale, c'est le résultat de l'application d'une méthode statistique à un...) des différentes trajectoires ou « films » du processus permet alors de prédire les données thermodynamiques que l’on obtiendrait expérimentalement si la mesure était possible. Ce laboratoire a été pionnier dans les applications de la chimie théorique à l’étude de processus en phase liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) et ses travaux actuels sur les surfaces aqueuses ont permis de montrer que certains processus peuvent être significativement accélérés par un effet de polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ;...) spécifique lié à l’asymétrie de l’interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de...).

Dans le cas particulier de la photolyse de l’ozone, les simulations prédisent que la vitesse (On distingue :) de formation des radicaux hydroxyles à la surface de l’eau serait environ dix mille fois plus rapide qu’en phase gazeuse ! Les radicaux hydroxyle ainsi formés sont susceptibles de détruire les autres polluants adsorbés sur les gouttelettes (notamment les COV), ou éventuellement être désorbés et intégrer les mécanismes chimiques de la phase gazeuse. Trois facteurs semblent contribuer à cet effet remarquable: une grande affinité de l’ozone pour la surface aqueuse, une nette (Le terme Nette est un nom vernaculaire attribué en français à plusieurs espèces de canards reconnaissablent à leurs calottes. Le terme est un emprunt au grec ancien...) augmentation de l’absorbance (L'absorbance mesure la capacité d'un milieu à absorber la lumière qui le traverse. On l'appelle également densité optique ou extinction. Il s'agit d'une grandeur sans unité donnée par la...) de lumière par l’ozone sous l’effet de l’interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) avec les molécules d’eau, et enfin une plus grande efficacité du processus de photolyse puisque les atomes d’oxygène formés réagissent instantanément avec les molécules d'eau environnantes. La surface des gouttelettes d'eau des nuages contribuerait donc à modérer les effets de la pollution atmosphérique.

Pour plus d'information voir: Spectroscopic signatures of ozone at the air–water interface and photochemistry implications

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Source: CNRS