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Les gouttelettes de liquide et les particules très fines peuvent piéger la lumière - de la même manière que la lumière peut être prise entre deux miroirs. En conséquence, l'intensité de la lumière à l'intérieur est amplifiée. Ce phénomène se produit également dans les très fines gouttelettes d'eau et les particules solides présentes dans notre atmosphère, c'est-à-dire les aérosols. Grâce à la microscopie à rayons X moderne, des chimistes de l'ETH Zurich et de l'Institut Paul Scherrer (PSI) ont étudié comment l'amplification de la lumière affecte les processus photochimiques qui se déroulent dans les aérosols. Ils et elles ont pu démontrer que l'amplification de la lumière rend ces processus chimiques deux à trois fois plus rapides en moyenne qu'ils ne le seraient sans cet effet.
À l'aide de la source lumineuse suisse du PSI, l'équipe de rechercheont étudié des aérosols composés de minuscules particules de citrate de fer (III). L'exposition à la lumière réduit ce composé en citrate de fer (II). La microscopie à rayons X permet de distinguer, à l'intérieur des particules d'aérosol, les zones composées de citrate de fer (III) de celles composées de citrate de fer (II), avec une précision de 25 nanomètres. Ainsi, les scientifiques ont pu observer et cartographier en haute résolution la séquence temporelle de cette réaction photochimique dans des particules d'aérosol individuelles.
Décomposition en cas d'exposition à la lumière
«Pour nous, le citrate de fer (III) était un composé représentatif facile à étudier avec notre méthode», explique Pablo Corral Arroyo, auteur principal de l'étude et postdoc dans le groupe dirigé par Ruth Signorell, professeure de l'ETH Zurich. Le citrate de fer (III) est le substitut de toute une série d'autres composés chimiques qui peuvent être présents dans les aérosols de l'atmosphère. De nombreux composés organiques et inorganiques sont sensibles à la lumière, et lorsqu'ils sont exposés à la lumière, ils peuvent se décomposer en molécules plus petites, qui peuvent être gazeuses et donc s'échapper. «Les particules d'aérosol perdent ainsi de la masse, ce qui modifie leurs propriétés», explique Ruth Signorell. Entre autres, elles diffusent différemment la lumière du soleil, ce qui affecte les phénomènes météorologiques et climatiques. En outre, leurs caractéristiques en tant que noyaux de condensation dans la formation des nuages changent.
À ce titre, les résultats ont également un effet sur la recherche climatique. «Les modèles informatiques actuels de la chimie atmosphérique globale ne tiennent pas encore compte de cet effet d'amplification de la lumière», explique la professeure. Les chercheuses et chercheurs suggèrent d'incorporer cet effet dans ces modèles à l'avenir.
Temps de réaction non uniforme dans les particules
Désormais cartographiée et quantifiée avec précision, l'amplification de la lumière dans les particules est due à des effets de résonance. L'intensité lumineuse est maximale sur le côté de la particule opposé à celui sur lequel la lumière brille. «Dans ce point chaud, les réactions photochimiques sont jusqu'à dix fois plus rapides qu'elles ne le seraient sans l'effet de résonance», explique Pablo Corral Arroyo. Si l'on fait la moyenne sur l'ensemble de la particule, cela donne une accélération du facteur deux à trois mentionné plus haut. Les réactions photochimiques dans l'atmosphère durent généralement plusieurs heures, voire plusieurs jours.
En utilisant les données de leur expérience, les chercheurs et chercheuses ont pu créer un modèle informatique pour estimer l'effet sur une série d'autres réactions photochimiques des aérosols typiques dans l'atmosphère. Il s'est avéré que l'effet ne concerne pas seulement les particules de citrate de fer (III), mais tous les aérosols - particules ou gouttelettes - constitués de composés pouvant réagir avec la lumière. Et ces réactions sont également deux à trois fois plus rapides en moyenne.