L’amplification de la lumière accélère les réactions chimiques dans les aérosols

Des petites gouttes et des particules très fines peuvent capter la lumière, à l’image de ce qui se passe entre deux miroirs. L’intensité lumineuse est amplifiée à l’intérieur d’elles. Cela arrive aussi dans les gouttelettes d’eau et les particules solides très fines de notre atmosphère, les aérosols. Des chimistes de l’ETH Zurich et de l’Institut Paul Scherrer PSI à Villigen ont maintenant, grâce à la microscopie à rayons X, analysé comment l’amplification de la lumière agissait sur les processus photochimiques qui ont lieu dans les aérosols. Les chercheurs ont ainsi pu montrer que l’amplification lumineuse permettait aux processus chimiques de se dérouler deux à trois fois plus rapidement que sans cet effet d’amplification.

A la Source de Lumière Suisse SLS du PSI, les scientifiques ont analysé des aérosols constitués de minuscules particules de citrate de fer (III). Sous l’effet de la lumière, ce composé se transforme en citrate de fer (II). Grâce à la microscopie à rayons X, les zones de citrate de fer (III) à l’intérieur des particules d’aérosols peuvent être distinguées de celles de citrate de fer (II) avec une précision de l’ordre de 25 nanomètres. Les chercheurs ont ainsi pu observer et cartographier avec une haute résolution le déroulement chronologique de cette réaction photochimique dans certaines particules d’aérosol.

Décomposition sous l’influence de la lumière

«Le citrate de fer (III) était pour nous un composé représentatif qui a pu être facilement analysé grâce à notre méthode», relève Pablo Corral Arroyo, post-doctorant dans le groupe de la professeure de l’ETH Ruth Signorell et premier auteur de l’étude. Le citrate de fer (III) est représentatif pour toute une série d’autres composés chimiques que l’on peut trouver dans les aérosols de l’atmosphère. Beaucoup de composés organiques et inorganiques sont sensibles à la lumière et peuvent sous son effet se décomposer en molécules plus petites, qui peuvent être gazeuses et ainsi s’échapper. «Les particules d’aérosol perdent de ce fait  de la masse, ce qui modifie leurs propriétés», explique Ruth Signorell. Elles dispersent la lumière différemment, ce qui influence les phénomènes météorologiques et climatiques. Leurs propriétés en tant que germes de condensation dans la formation des nuages sont par ailleurs modifiées.

Les résultats ont aussi une incidence sur la recherche sur le climat. «Les modèles informatiques de la chimie atmosphérique globale ne tiennent pas encore compte de cet effet d’amplification de la lumière », souligne la professeure de l’ETH. Les chercheurs proposent d’intégrer à l’avenir cet effet dans ces modèles.

Temps de réaction inégaux dans les particules

Lorsque l’air est humide, les particules peuvent contenir beaucoup d’eau, ce qui les fait davantage ressembler à un liquide. Lorsqu’elles sont sèches, elles contiennent beaucoup moins d’eau et sont visqueuse comme du verre. «Nous avons analysé des particules sèches et visqueuses. Nous avons ainsi congelé les produits chimiques et montré de manière directe où la lumière était amplifiée à l’intérieur d’eux et où elle ne l’était pas», précise Peter Alpert, scientifique au PSI. Cette amplification de la lumière précisément cartographiée et quantifiée est générée par effet de résonance. L’intensité de lumière est la plus haute à l’opposé du côté exposé à la lumière de la particule. «Dans cette zone sensible, les réactions photochimiques se déroulent dix fois plus rapidement que sans effet de résonance», fait valoir Pablo Corral Arroyo. Pour l’ensemble de la particule, le déroulement est en moyenne deux à trois fois plus rapide. Normalement, les réactions photochimiques dans l’atmosphère durent plusieurs heures voire jours.

Ces effets font depuis longtemps l’objet de débats et on soupçonne qu’ils influencent également la chimie de l’atmosphère. «Lorsque j’ai vu les premières images sous le microscope à rayons X, j’ai été enthousiasmé, car elles sont la preuve directe de ces effets», indique Markus Ammann, chef de groupe au PSI.

Grâce aux données recueillies expérimentalement, les chercheurs ont pu élaborer un modèle informatique pour évaluer l’effet sur une série d’autres réactions photochimiques des aérosols dans l’atmosphère. Il s’est avéré que l’effet qui a maintenant été chiffré ne concerne pas seulement les particules de citrate de fer (III), mais tous les aérosols – particules ou gouttelettes  – de composés qui peuvent réagir avec la lumière. Les autres réactions se déroulent aussi en moyenne deux à trois fois plus rapidement.

Texte rédigé sur la base d’un communiqué de presse de l’ETH Zurich/Fabio Bergamin