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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 (Un détergent (ou agent de surface, détersif, surfactant) est un composé chimique, généralement issu du pétrole, doté...)" de l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :). 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...) Jean Barriol (CNRS / Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa...) 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 de la Catalogne. Elle...) 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 (La troposphère est la partie de l'atmosphère terrestre située entre la surface du globe et une altitude d'environ 8 à 15 kilomètres, selon la latitude et la saison....). 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 stratosphère est la seconde couche de l'atmosphère terrestre, se situant au-dessus de la troposphère et sous la mésosphère. Les températures atteintes dans l'atmosphère sont stratifiées, c'est-à-dire que les couches les...), la couche d'ozone forme un écran (Un moniteur est un périphérique de sortie usuel d'un ordinateur. C'est l'écran où s'affichent les informations saisies ou demandées par l'utilisateur et générées ou restituées par l'ordinateur, sous forme de texte et d'images en deux...) moléculaire qui protège les êtres vivants contre les rayonnements ultraviolets de haute énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.). 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...) 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 (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet)...).

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...) d'échappement des véhicules, etc). Une petite quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une...) 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 (La végétation est l'ensemble des plantes (la flore) sauvages ou cultivées qui poussent sur une surface donnée de sol, ou dans un...), les forets et le rendement des récoltes.

L'ozone est une espèce (Dans les sciences du vivant, l’espèce (du latin species, « type » ou « apparence ») est le taxon de base de la systématique. L'espèce...) formée par trois atomes d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.). 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...) et la lumière visible (La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du spectre électromagnétique qui est visible pour l'œil humain.) provoquent sa photolyse, qui conduit à une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité de matière possédant les propriétés...) de dioxygène (Le dioxygène est une molécule composée de deux atomes d'oxygène, notée O2, qui est à l'état de gaz aux conditions normales de pression et de température.) 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 généralement constitué...) 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 (Le méthane est un hydrocarbure de formule brute CH4. C'est le plus simple composé de la famille des alcanes. C'est un gaz que l'on trouve à l'état naturel et qui est produit par...) 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 (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) 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...) 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 (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et échantillonnée, par opposition à une information dite...) 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 moléculaire (Une simulation de dynamique moléculaire consiste à calculer l'évolution d'un système de particules au cours du temps. Ces simulations servent de modèles structuraux et dynamiques...). 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...) 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...) 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 ; En électronique, la polarisation est le fait d'appliquer une tension pour créer du...) spécifique lié à l'asymétrie (L'asymétrie est l’absence de symétrie, ou son inverse. Dans la nature, les crabes violonistes en sont des exemples spectaculaires.) 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 connaître de l’autre pour pouvoir fonctionner correctement.).

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...) 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 relation :) 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 (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air...)?water interface and photochemistry implications

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Source: CNRS