CLOUD découvre un nouveau processus par lequel des aérosols se forment et croissent rapidement à haute altitude

Publié par Isabelle le 23/05/2022 à 13:00
Source: CERN
Les particules issues de ce processus se répandent rapidement autour du globe, et pourraient influencer le climat de la Terre à l'échelle intercontinentale.


Vue de l'expérience CLOUD au CERN (Image: CERN)

Les particules d'aérosol (Un aérosol est un ensemble de particules, solides ou liquides, d'une substance chimique...) peuvent se former et croître dans la troposphère (La troposphère est la partie de l'atmosphère terrestre située entre la surface du globe et une...) de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...) selon un processus qui n'avait encore jamais été répertorié, annonce la collaboration CLOUD dans un article1publié dans la revue Nature. Le mécanisme observé pourrait représenter une source importante de particules susceptibles de servir de germes aux cristaux de glace (La glace est de l'eau à l'état solide.) et aux nuages dans des zones de la troposphère supérieure où l'ammoniac (L’ammoniac est un composé chimique, de formule NH3 (groupe générique des...) connaît un transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus...) vertical (Le vertical (rare), ou style vertical, est un style d’écriture musicale consistant en...) efficace, par exemple au-dessus des zones de mousson (La mousson est le nom d'un système de vents périodiques des régions tropicales,...) en Asie (L'Asie est un des cinq continents ou une partie des supercontinents Eurasie ou Afro-Eurasie de la...).

On sait que les particules d'aérosol tendent à refroidir le climat (Le climat correspond à la distribution statistique des conditions atmosphériques dans une...) parce qu'elles reflètent la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...), la renvoyant dans l'espace, et qu'elles rendent les nuages plus réfléchissants. Mais ce qui n'est pas encore très bien compris, c'est comment se forment de nouvelles particules d'aérosol dans l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :).

"Les particules d'aérosol nouvellement formées sont omniprésentes dans l'ensemble de la troposphère supérieure, mais les vapeurs et les mécanismes qui sont à l'origine de la formation de ces particules ne sont pas bien connus, explique Jasper Kirkby, porte-parole de la collaboration CLOUD. Grâce à des expériences menées à bien dans la chambre CLOUD du CERN, dans les conditions de froid typiques de la troposphère supérieure, nous avons découvert un nouveau mécanisme de formation et de croissance extrêmement rapide de particules, dans lequel interviennent des mélanges de vapeurs qui n'étaient pas connus jusqu'ici."

En procédant dans la chambre à brouillard (Une chambre à brouillard est un détecteur de particules dans lequel l'ionisation produite par le...), aux concentrations atmosphériques, à des mélanges de vapeurs d'acide sulfurique (L'acide sulfurique (anciennement appelé huile de vitriol ou vitriol) est un composé...), d'acide nitrique (L’acide nitrique, parfois appelé acide azotique, est un composé chimique liquide...) et d'ammoniac, l'équipe CLOUD a constaté que ces trois composants, en synergie, forment de nouvelles particules beaucoup plus rapidement que lorsque seuls deux des composants sont présents. Il a été constaté que les trois vapeurs prises ensemble forment de nouvelles particules 10 à 1000 fois plus rapidement qu'un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses...) d'acide (Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions...) sulfurique et d'ammoniac, mélange qui, sur la base des mesures précédentes de CLOUD, était considéré comme la source dominante de particules de la troposphère supérieure. Une fois les particules contenant ces trois composants formées, elles peuvent croître rapidement à partir de la condensation (La condensation est le nom donné au phénomène physique de changement d'état de la matière qui...) d'une combinaison (Une combinaison peut être :) d'acide nitrique et d'ammoniac seuls, pour atteindre la dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une...) à laquelle elles peuvent conduire à la formation de nuages.

De plus, les mesures prises par CLOUD montrent que ces particules sont très performantes pour produire des cristaux de glace, comme le font les particules de poussière du désert (Le mot désert désigne aujourd’hui une zone stérile ou peu propice à la...), dont on pense qu'elles sont les sources de formation de cristaux de glace les plus communes et les plus efficaces dans l'atmosphère. Lorsqu'une gouttelette super refroidie présente dans un nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en...) gèle, la particule de glace en résultant va croître aux dépens des gouttelettes non gelées qui se situent à proximité; c'est pourquoi la glace a une influence majeure sur les propriétés microphysiques des nuages et sur les précipitations.

L'équipe CLOUD a ensuite introduit ses mesures dans des modèles d'aérosol globaux incluant le transport vertical d'ammoniac par des nuages de convection (La convection est un mode de transfert d'énergie qui implique un déplacement de...) profonde. Les modèles montrent que, même si les particules se forment localement dans les zones riches en ammoniac de la troposphère supérieure, par exemple au-dessus des zones de mousson d'Asie, elles se déplacent, et peuvent atteindre l'Amérique (L’Amérique est un continent séparé, à l'ouest, de l'Asie et...) du Nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.) en seulement trois jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...) grâce au courant-jet (Un courant-jet, aussi couramment désigné par sa dénomination anglophone de jet...) subtropical, influençant ainsi le climat de la Terre à l'échelle intercontinentale.

"Nos études renforceront la fiabilité des modèles climatiques globaux dans la mesure où elles permettent de rendre compte de la formation des aérosols dans la troposphère supérieure et de prédire les changements à venir du climat, souligne Jasper Kirby. Une fois de plus, CLOUD constate que l'ammoniac anthropique a une influence majeure sur les particules d'aérosol atmosphériques, et nos études seront un élément d'information utile pour les futures réglementations concernant la pollution de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...)."

Les concentrations atmosphériques en acide sulfurique, acide nitrique et ammoniac étaient beaucoup plus faibles à l'ère préindustrielle qu'elles ne le sont actuellement, et, pour chaque composant, les évolutions seront vraisemblablement différentes en fonction des réglementations futures en matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) de pollution de l'air. L'ammoniac présent dans la troposphère supérieure provient des émissions du bétail et des engrais (Les engrais sont des substances, le plus souvent des mélanges d'éléments...), actuellement non réglementées, et est emporté en altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau...) dans des gouttelettes soumises à la convection, qui, en gelant, libèrent l'ammoniac qu'elles contiennent.


Simulation de la formation de particules d'aérosol pendant la mousson en Asie, dans un modèle global pour les aérosols avec transport vertical efficace de l'ammoniac l'amenant dans la troposphère supérieure. L'intégration dans le modèle d'un mélange d'acide sulfurique, d'acide nitrique et d'ammoniac augmente la concentration en particules dans la troposphère supérieure d'un facteur de 3 à 5 par rapport à ce que produit le même modèle avec seulement de l'acide sulfurique et de l'ammoniac.
(Image: collaboration CLOUD)

Photos: https://cds.cern.ch/record/2806655

Note:
1 - Wang, M. et al. Synergistic HNO3-H2SO4-NH3 upper tropospheric particle formation. Nature, doi:10.1038/s41586-022-04605-4 (2022).
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