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Les mesures d’aujourd’hui renseignent sur les nuages du passé
Des chercheurs ont montré que la poussière fine pouvait se former dans l’atmosphère à partir de substances naturelles. Leurs résultats améliorent significativement nos connaissances sur les nuages de l’ère préindustrielle et ainsi, contribuent à une description plus précise de l’évolution passée et future du climat.
Si l’on veut comprendre les modifications qu’a connues le climat au cours des siècles derniers, il faut établir une reconstitution aussi fiable que possible des conditions climatiques qui régnaient durant l’ère préindustrielle. Un vaste projet de recherche, auquel ont participé des chercheurs du CERN, de l’Institut Paul Scherrer PSI et de nombreuses institutions de recherche, vient de livrer une contribution importante. Les scientifiques ont étudié la formation des particules de poussières fines dans l’atmosphère, appelées aérosols par les spécialistes. Les aérosols jouent un rôle important au niveau du climat, car c’est autour de ces particules que se forment les gouttelettes d’eau dont les nuages sont constitués. Les particules d’aérosol ne sont pas uniquement formées à partir d’émissions directes – par exemple sous forme de particules de suie issues de la combustion de bois ou du trafic –, mais se forment aussi dans l’atmosphère à partir des substances gazeuses. Jusqu’ici, on était parti du principe que l’acide sulfurique était un composant indispensable pour la formation de nouvelles particules, et qu’il n’avait fourni de contribution importante qu’à partir de l’ère industrielle. Les chercheurs ont montré à présent que des particules d’aérosol se forment aussi de la même manière à partir de substances biogéniques émises par les arbres. Ces substances naturelle produisent donc depuis toujours des germes de condensation supplémentaires pour la formation des nuages. Les résultats sont basés sur des expériences menées à la chambre CLOUD du CERN, qui permet de reconstituer différentes conditions atmosphériques de manière ciblée. Des analyses parallèles menées à la station de recherche de haute montagne du Jungfraujoch dans les Alpes bernoises confirment par ailleurs que ces processus se jouent aussi de la même manière dans l’atmosphère réelle. Les résultats sont présentés de manière coordonnée dans le cadre de trois articles publiés dans des revues spécialisées prestigieuses: deux dans Nature et un dans Science.
Si l’on veut évaluer l’impact de l’activité humaine sur le climat, il faut pouvoir comparer le climat actuel avec celui qui régnait au cours de l’ère préindustrielle. Un aspect important réside dans la reconstitution de la quantité de nuages qu’il y avait à l’époque et de leurs propriétés. En effet, les nuages peuvent réfléchir la lumière du soleil et donc retarder dans une certaine mesure le réchauffement de la Terre par les gaz à effet de serre. Les aérosols présents dans l’atmosphère sont un déterminant essentiel dans la formation des nuages, car c’est autour de ces petites particules que se forment les gouttelettes qui s’amoncèlent ensuite pour constituer des nuages. S’il y a plus de particules à disposition, les gouttelettes susceptibles de se former sont plus nombreuses, ce qui modifie les propriétés des nuages. Les particules d’aérosol sont issues de différentes sources. Il peut s’agir par exemple de poussières désertiques ou de particules de suie issues de la combustion de bois ou de carburant. Par ailleurs, les particules d’aérosol peuvent apparaître dans l’atmosphère par le biais d’un processus appelé nucléation, lorsque des molécules de gaz présentes dans l’air s’associent les unes avec les autres. Jusqu’ici, on était parti du principe que l’acide sulfurique était un élément décisif de ce processus. Or il n’est présent en grandes quantités dans l’atmosphère que depuis le début de l’ère industrielle.
Aérosols produits par la nature
Nous avons maintenant réussi à montrer que les particules d’aérosol susceptibles de servir de germes de nucléation dans la formation des nuages pouvaient aussi se former à partir de substances organiques, explique Urs Baltensperger, directeur du Laboratoire de chimie atmosphérique à l’Institut Paul Scherrer PSI, co-initiateur du projet et lauréat du Spiers Memorial Award 2016 de la Société royale de chimie britannique pour ses recherches sur les aérosols dans l’atmosphère. Cela signifie qu’à l’ère préindustrielle, il existait déjà des particules d’aérosol qui se formaient seulement dans l’atmosphère. Il y avait donc davantage d’aérosols que ce que l’on imaginait jusqu’ici.
Cela ne signifie pas forcément que les quantités de nuages étaient plus importantes que ce qu’on postulait encore récemment, ajoute Jasmin Tröstl, chercheuse au PSI. Mais les nuages étaient sans doute composés de gouttelettes plus nombreuses et plus petites, ils étaient donc plus blancs et pouvaient mieux réfléchir la lumière. Ces résultats ont été obtenus dans le cadre d’une vaste collaboration internationale de recherche, placée sous la houlette de chercheurs du CERN et du PSI. Les chercheurs ont mené leurs expériences à la chambre CLOUD du CERN et à la station de recherche de haute montagne du Jungfraujoch. La chambre CLOUD est un réservoir cylindrique de 4,3 mètres de hauteur et de 3 mètres de diamètre, où différentes conditions atmosphériques peuvent être reproduites de manière très ciblée. Les chercheurs ont introduit dans cette chambre une substance appelée pinène, que les arbres émettent par évaporation, et ont pu y observer l’apparition de particules aérosols.
Apparition des aérosols en deux phases
Nous avons également décrit ce processus à l’aide de méthodes mathématiques, ce qui nous a permis de comprendre la manière dont ces particules se constituent, précise Jasmin Tröstl. L’ensemble de ce processus est très compliqué. Les molécules de pinène commencent par se modifier en réagissant avec des oxydants comme l’ozone, ce qui provoque l’apparition de nombreuses molécules légèrement différentes et plus ou moins ‘collantes’. Les
plus collantes d’entre elles qui se lient particulièrement bien à d’autres molécules, peuvent s’associer en particules minuscules. Il s’agit de la première étape décisive, car les particules doivent atteindre une taille minimale d’environ 1,7 nanomètres pour ne pas s’évaporer à nouveau. Elles sont cependant toujours trop petites pour servir de germes de nucléation dans la formation de nuages. Pour ce faire, elles doivent atteindre une taille d’environ 50 à 100 nanomètres.
Pour que les particules continuent à croître, il est nécessaire que d’autres molécules viennent adhérer, détaille Jasmin Tröstl. Au fur et à mesure, les molécules qui viennent s’accoler sont aussi de moins en moins ‘collantes’, elles adhèrent mieux aux grosses particules et sont présentes en plus grandes quantités.
Ces résultats sont les plus importants obtenus à ce jour à la chambre CLOUD, souligne Jasper Kirkby, scientifique au CERN et porte-parole de l’expérience CLOUD. Si à l’avenir on tient compte de l’apparition et de la croissance de particules aérosols purement organiques dans le développement de modèles climatiques, cela devrait apporter une contribution essentielle à la compréhension de l’influence de l’activité humaine sur les nuages et le climat.
Les deux étapes de formation des nouvelles particules sont décrites dans les deux articles parus dans Nature. Jasper Kirkby, chercheur au CERN, est le premier auteur du premier article, et Jasmin Tröstl, chercheuse au PSI, est première auteure de la seconde publication.
Des aérosols tout là-haut dans la montagne
Les chercheurs ont observé la formation des aérosols en conditions atmosphériques réelles à la station de recherche de haute montagne du Jungfraujoch dans les Alpes bernoises. A plus de 3500 mètres d’altitude, les chercheurs ont mené des expériences au-dessus de la couche la plus basse de l’atmosphère, la couche limite atmosphérique. A cette altitude, on trouve aussi des particules aérosols de la couche limite atmosphérique, car elles y sont transportées par l’air ascendant. Mais d’autres particules nouvelles se forment également et jusqu’à maintenant, on ignorait leurs processus de formation.
Au Jungfraujoch, contrairement à l’expérience au CERN, nous ne pouvons évidemment pas nous limiter à une seule substance de départ pour les particules d’aérosol, mais nous observons toutes les substances qui sont présentes dans l’air, explique Federico Bianchi, qui en son temps, a collaboré à ce projet en tant que chercheur au PSI et travaille aujourd’hui à l’Université de Helsinki. Nous avons entre autres observé pour la première fois l’apparition en pleine nature d’aérosols à base d’acide sulfurique et d’ammoniaque. Mais surtout, nous avons vu que des particules d’aérosol se formaient à partir de substances purement organiques. Ainsi, les résultats des mesures à la chambre CLOUD et ceux obtenus au Jungfraujoch coïncident: il existe des particules d’aérosol dont les substances de départ sont purement organiques.
Nous ne pouvons d’ailleurs observer la formation d’aérosols au Jungfraujoch qu’à certaines périodes définies, ajoute Federico Bianchi. Car les molécules de départ proviennent aussi de la couche la plus basse de l’atmosphère et il semble que c’est seulement pendant un créneau horaire de deux jours après leur ascension depuis la couche limite atmosphérique que les conditions sont favorables à la formation d’aérosols.
Les analyses au Jungfraujoch sont présentées dans l’article paru dans Science, dont Federico Bianchi est le premier auteur.
Synergie entre expériences en laboratoire et expériences sur le terrain
Pour leurs analyses au Jungfraujoch, les chercheurs ont utilisé les mêmes instruments de mesure que lors des mesures à la chambre CLOUD. La pièce-maîtresse de l’installation est un spectromètre de masse, un appareil complexe qui permet de distinguer des milliers de substances chimiques différentes. L’engin utilisé a été fabriqué par l’entreprise suisse TOFWERK à Thoune.
Cet appareil permet de déterminer à chaque seconde la composition chimique, affirme Federico Bianchi.
Les publications montrent aussi à quel point il est important de combiner les expériences en laboratoire et les expériences sur le terrain. Les mesures en laboratoire permettent d’analyser en détail différents mécanismes, mais seule l’expérience sur le terrain permet de savoir si ce processus joue aussi un rôle important dans l’atmosphère réelle.
Et, relève Urs Baltensperger, le Jungfraujoch est l’un des meilleurs sites au monde pour étudier ce genre de processus dans la troposphère libre, en raison de sa localisation, de la pureté de l’air et de son infrastructure.
Texte: Institut Paul Scherrer/Paul Piwnicki
À propos du PSI
L'Institut Paul Scherrer PSI développe, construit et exploite des grandes installations de recherche complexes et les met à la disposition de la communauté scientifique nationale et internationale. Les domaines de recherche de l'institut sont centrés sur la matière et les matériaux, l'énergie et l'environnement ainsi que la santé humaine. La formation des générations futures est un souci central du PSI. Pour cette raison, environ un quart de nos collaborateurs sont des postdocs, des doctorants ou des apprentis. Au total, le PSI emploie 2000 personnes, étant ainsi le plus grand institut de recherche de Suisse. Le budget annuel est d'environ CHF 370 millions. Le PSI fait partie du domaine des EPF, les autres membres étant l' ETH Zurich, l'EPF Lausanne, l’Eawag (Institut de Recherche de l'Eau), l'Empa (Laboratoire fédéral d'essai des matériaux et de recherche) et le WSL (Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et le paysage).
(Mise à jour: mai 2016)