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Comment les arbres influencent la formation des nuages

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Dans le cadre du projet international CLOUD du CERN, des chercheurs du PSI ont identifié les sesquiterpènes – des hydrocarbures gazeux libérés par les plantes – comme étant un facteur majeur dans la formation des nuages. Cette découverte pourrait réduire les incertitudes des modèles climatiques et permettre de faire des prévisions plus précises. L’étude vient d’être publiée dans la revue Science Advances.

Ces incertitudes dans la prévision de l’évolution des températures en fonction de l’évolution concrète des émissions de gaz à effet de serre sont essentiellement dues au fait que les scientifiques ne comprennent pas encore parfaitement tous les processus qui se déroulent dans l’atmosphère, c’est-à-dire les interactions entre les différents gaz et aérosols qui la composent. Les établir est l’objectif du projet CLOUD (Cosmics Leaving Outdoor Droplets), une collaboration internationale entre chercheurs atmosphériques au centre de recherche nucléaire du CERN à Genève. Le PSI a participé à la construction de la chambre CLOUD et est membre du comité directeur du projet.

Le mystère de la formation des nuages

La manière dont la couverture nuageuse se développera à l’avenir reste pour l’instant très nébuleuse. Il s’agit pourtant d’un facteur clé pour prédire le climat, car plus il y a de nuages, plus le rayonnement solaire est réfléchi, ce qui refroidit la surface de la terre.

Pour former les gouttelettes qui composent les nuages, la vapeur d’eau a besoin de noyaux de condensation, c’est-à-dire de particules solides ou liquides sur lesquelles elle se condense. Ceux-ci sont fournis par une grande variété d’aérosols, de minuscules particules solides ou liquides d’un diamètre compris entre 0,1 et 10 micromètres, qui sont produites et libérées dans l’air à la fois par la nature et par l’activité humaine. Ces particules peuvent être le sel de la mer, le sable du désert, les polluants de l’industrie et de la circulation, ou les particules de suie des incendies, par exemple.

Cependant, environ la moitié des noyaux de condensation se forment en réalité dans l’air lorsque différentes molécules gazeuses se combinent et se transforment en solides, un phénomène que les experts appellent « nucléation » ou « formation de nouvelles particules » (NPF). Au départ, ces particules sont minuscules, à peine plus grandes que quelques nanomètres, mais avec le temps, elles peuvent croître par condensation de molécules gazeuses et servir de noyaux de condensation.

Les gaz à effet de serre que l’on peut sentir

Le principal gaz anthropique qui contribue à la formation de particules est le dioxyde de soufre sous forme d’acide sulfurique, provenant principalement de la combustion du charbon et du pétrole. Les gaz naturels les plus importants sont les isoprènes, les monoterpènes et les sesquiterpènes. Il s’agit d’hydrocarbures qui sont principalement libérés par la végétation. Ce sont des composants clés des huiles essentielles que nous sentons lorsque, par exemple, l’herbe est coupée ou que nous nous promenons dans les bois. Lorsque ces substances s’oxydent, c’est-à-dire qu’elles réagissent avec l’ozone, elles forment des aérosols dans l’air.

« Il convient de noter que la concentration de dioxyde de soufre dans l’air a considérablement diminué ces dernières années en raison d’une législation environnementale plus stricte et qu’elle continuera à diminuer », explique Lubna Dada, spécialiste de l’atmosphère au PSI.

« La concentration de terpènes, en revanche, augmente parce que les plantes en libèrent davantage lorsqu’elles subissent un stress, par exemple lorsque les températures et les conditions météorologiques extrêmes augmentent et que la végétation est plus souvent exposée à la sécheresse.

La grande question pour améliorer les prévisions climatiques est donc de savoir lequel de ces facteurs prédominera, entraînant une augmentation ou une diminution de la formation des nuages. Pour répondre à cette question, il faudrait savoir comment chacune de ces substances contribue à la formation de nouvelles particules. On sait déjà beaucoup de choses sur l’acide sulfurique, et le rôle des monoterpènes et de l’isoprène est désormais mieux compris grâce à des mesures sur le terrain et à des expériences en chambre comme CLOUD, auxquelles le PSI a participé.

Les sesquiterpènes sont rares mais efficaces

Jusqu’à présent, les sesquiterpènes n’ont pas fait l’objet de recherches. « Cela s’explique par le fait qu’ils sont assez difficiles à mesurer », explique M. Dada. « D’une part, parce qu’ils réagissent très rapidement avec l’ozone et, d’autre part, parce qu’ils sont beaucoup moins fréquents que les autres substances.

Environ 465 millions de tonnes d’isoprène et 91 millions de tonnes de monoterpènes sont libérés chaque année, tandis que les sesquiterpènes ne représentent que 24 millions de tonnes. Néanmoins, la nouvelle étude, dont Dada est l’auteur principal, a montré que ces composés jouent un rôle important dans la formation des nuages. Selon les mesures effectuées, ils forment dix fois plus de particules que les deux autres substances organiques à la même concentration.

Des particules persistantes conduisent à plus de nuages

Les expériences ont révélé que l’oxydation d’un mélange naturel d’isoprène, de monoterpènes et de sesquiterpènes dans l’air pur produit une grande variété de composés organiques, appelés ULVOC (Ultra-Low-Volatility Organic Compounds). Comme leur nom l’indique, ces composés ne sont pas très volatils et forment donc des particules de manière très efficace, qui peuvent se développer au fil du temps pour devenir des noyaux de condensation.

L’effet considérable des sesquiterpènes a été révélé lorsque les chercheurs ont ajouté des sesquiterpènes dans la chambre contenant une suspension composée uniquement d’isoprènes et de monoterpènes. Même en ajoutant seulement deux pour cent, le taux de formation de nouvelles particules a doublé. « Cela peut s’expliquer par le fait qu’une molécule de sesquiterpène est constituée de 15 atomes de carbone, alors que les monoterpènes n’en ont que dix et les isoprènes cinq », explique M. Dada.

D’une part, l’étude révèle un autre moyen par lequel la végétation peut influencer le temps et le climat. Mais surtout, les résultats de la recherche suggèrent que les sesquiterpènes devraient être inclus comme un facteur distinct dans les futurs modèles climatiques, au même titre que les isoprènes et les monoterpènes, afin de rendre leurs prédictions plus précises.

Ceci est particulièrement vrai à la lumière de la diminution des concentrations atmosphériques de dioxyde de soufre et de l’augmentation simultanée des émissions biogéniques résultant du stress climatique, ce qui signifie que ce dernier est susceptible de devenir de plus en plus important pour notre climat futur. Cependant, d’autres études sont également nécessaires pour améliorer les prévisions de formation des nuages. Ces études sont déjà en cours de planification au Laboratoire de chimie atmosphérique.

« Ensuite », déclare Imad El Haddad, chef de groupe pour les processus moléculaires atmosphériques, « nos partenaires CLOUD et nous-mêmes voulons étudier ce qui s’est passé exactement pendant l’industrialisation, lorsque l’atmosphère naturelle a été de plus en plus mélangée à des gaz anthropiques tels que le dioxyde de soufre, l’ammoniac et d’autres composés organiques anthropiques ».

Adaptation Terra Projects

extrait et Source : https://phys.org/

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