Des nouvelles de la chambre à smog: les mécanismes de formation de particules dans l'atmosphère enfin décodés

Les nuages ont un impact primordial sur le bilan radiatif de la terre et, par conséquent, sur la température de l'air. Plus la couverture nuageuse est épaisse, mieux elle peut empêcher la dissipation dans l'espace de la chaleur présente à la surface de la terre. En contrepartie, la couverture nuageuse empêche également la chaleur issue du rayonnement solaire d'atteindre la surface de la terre. Plus les gouttelettes d'eau qui composent les nuages sont fines, plus leur effet refroidissant sur le climat est élevé. En effet, les fines gouttelettes reflètent de manière plus intensive le rayonnement solaire vers l'espace. La taille de ces gouttelettes est dans une large mesure déterminée par le nombre de certaines particules dans l'atmosphère, sur lesquelles les gouttelettes peuvent se former. Plus ces particules sont nombreuses, plus les gouttelettes formant les nuages seront fines. Le nombre de particules capables à former des gouttelettes revêt par conséquent une grande importance pour la recherche sur le climat.

Mais d'où proviennent ces particules ? Certaines remontent dans l'atmosphère directement depuis la terre; il peut s'agir de pollen, de résidus de combustion incomplète ou de sel de mer provenant des embruns. Un grand nombre de particules se forme cependant seulement dans l'atmosphère, phénomène appelé nucléation ou formation de particules, et dont la genèse reste en partie inexpliquée. Les chercheurs partent du principe que l'acide sulfurique constitue le facteur principal dans la formation de ces particules. Or, les résultats issus des recherches menées en laboratoire et sur le terrain se sont, jusqu'à présent, toujours avérés tout à fait contradictoires: on observait que les concentrations en acide sulfurique nécessaires à la nucléation étaient nettement plus élevées en laboratoire que sur le terrain.

L'énigme autour du mécanisme de la formation des particules enfin élucidée

Les chercheurs de l'Institut Paul Scherrer sont enfin parvenus à décoder le mécanisme. Dans une chambre à smog, installation dans laquelle les processus atmosphériques peuvent être reproduits, les chercheurs ont effectué des essais avec du dioxyde de soufre (SO2) et un gaz organique (triméthylbenzène, TMB). Sous la lumière du soleil, l'acide sulfurique s'est formé à partir du SO2 et le TMB a subi une oxydation afin de former des composés moins volatils que le TMB. Résultat: le regroupement de ces produits d'oxydation donne lieu à la nucléation à une concentration en acide sulfurique nettement plus faible que celle observée lorsque l'on effectue des essais avec de l'acide sulfurique seul. La plage de concentration correspond désormais à celle que l'on trouve dans l'atmosphère lors de phénomènes de nucléation naturels. Les chercheurs ont ainsi pu démontrer que, contrairement à l'avis courant , ce ne sont pas deux molécules d'acide sulfurique qui sont responsables de la nucléation, mais la combinaison d'une molécule d'acide sulfurique avec une molécule organique. Les scientifiques ignorent toutefois l'identité de la molécule organique en question. En effet, il n'existe pas encore de méthode analytique pouvant apporter une preuve en la matière. Ils sont cependant capables d'estimer sa concentration à partir de l'altération du TMB, qui constitue le précurseur de cette molécule organique.

Le modèle de simulation global confirme les résultats

Afin de corroborer cette hypothèse, des scientifiques de l'Université de Leeds ont intégré le mécanisme identifié par le PSI dans le modèle GLOMAP (modèle global de processus liés aux aérosols). Les suppositions des chercheurs du PSI ont été largement confirmées. Après l'intégration des données du PSI dans le modèle de simulation, l'évolution concrète, mesurée sur le terrain, de la concentration de particules a pu être suivie d'une manière nettement plus fidèle à la réalité que lors de toutes les études menées jusqu'à présent à mesure que la distance au-dessus du sol augmentait (profil vertical).

Les résultats ont été publiés le 18 janvier 2010 dans l'édition en ligne du magazine de l'Académie américaine des sciences (PNAS - Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America). La version imprimée du magazine sera disponible la semaine suivante.

A propos du PSI

Le PSI conçoit, construit et exploite de grandes et complexes installations de recherche qu'il met à la disposition de la communauté des chercheurs suisses et internationaux. Ses propres recherches privilégient la physique des solides et les sciences des matériaux, la physique des particules élémentaires, la biologie et la médecine, l'énergie et l'environnement. Avec 1300 collaborateurs et un budget annuel de quelque 260 millions de CHF, l'Institut Paul Scherrer est le plus important institut de recherche suisse.