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L'atmosphère à la lumière des rayons X
La lumière issue d'un accélérateur de particules permet de mieux comprendre la dégradation de l'ozone
Une nouvelle chambre d'expérience permet aux chercheurs de reconstituer les processus qui se jouent dans l'atmosphère et de les étudier avec une précision inégalée grâce à de la lumière de type rayons X issue de la Source de Lumière Suisse (SLS), l'un des grands instruments de recherche de l'Institut Paul Scherrer PSI. Lors de leurs premières expériences, les chercheurs du PSI ont analysé la manière dont les molécules de brome apparaissent dans l'air. Ces molécules jouent un rôle essentiel dans la dégradation de l'ozone dans les couches inférieures de l'atmosphère. Avec leurs résultats, les chercheurs apportent une contribution importante aux modèles qui permettent d'expliquer et de prédire les changements climatiques et la composition de l'air. A l'avenir, cette nouvelle chambre d'expérience sera également mise à disposition de chercheurs d'autres disciplines scientifiques qui se penchent sur la chimie de l'atmosphère ou sur d'autres thématiques du domaine de la recherche énergétique et environnementale.
L'ozone qui se trouve dans les couches supérieures de l'atmosphère nous protège des dangers du rayonnement UV. En revanche, lorsque l'ozone est présent en trop grandes quantités dans l'air que nous respirons, il devient dangereux pour la santé. Mais hormis en période de smog estival, la concentration d'ozone dans les couches inférieures de l'atmosphère est le plus souvent constante et sans danger. Il existe en effet un certain équilibre entre les processus qui gouvernent l'apparition de l'ozone et ceux qui gouvernent sa dégradation. Le brome et certains éléments chimiques apparentés comme le chlore et l'iode présents dans l'atmosphère apportent une contribution importante à ces processus: globalement, ils sont responsables d'environ 50% de la dégradation de l'ozone.
Mais l'ozone est à son tour co-responsable de l'apparition du brome dans l'atmosphère. Car le brome se forme lorsque le bromure que contient l'eau de mer entre en contact avec l'ozone présent dans l'air. Cela se produit à la surface des mers ou à la surface des gouttelettes (poussières fines) qui apparaissent lors de la formation de l'écume. Comme les océans occupent 70% de la surface de la Terre, ce phénomène se produit à large échelle. Des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer PSI ont à présent déterminé les premiers détails de cette réaction chimique importante et ils sont les premiers à l'avoir fait. Pour ce faire, ils ont reconstitué dans une nouvelle chambre d'expérience les processus qui se jouent à la surface de l'eau et ils les ont analysés à l'aide de lumière de type rayons X produite par la Source de Lumière Suisse (SLS) du PSI. Pour l'interprétation des résultats de mesure, ils ont pu s'appuyer sur des calculs théoriques effectués par des chercheurs d'autres instituts en Suisse, aux Etats-Unis et au Qatar.
Possibilités de recherche uniques au monde
La SLS est un grand instrument de recherche qui produit de la lumière de type rayons X particulièrement intense, dont les propriétés peuvent être précisément adaptées aux besoins de différentes expériences. Un accélérateur de particules circulaire d'une circonférence de 288 mètres forme le cœur de l'installation. La lumière de type rayons X de la SLS permet de déterminer très précisément les différentes substances, même si leur durée d'existence est très courte.
Nous avons réussi à montrer qu'une liaison entre le bromure et l'ozone apparaissait très brièvement pendant la réaction chimique à la surface de l'eau, explique Luca Artiglia, le scientifique responsable de l'expérience. Son existence avait été prédite au niveau théorique, mais on n'avait pas réussi à l'observer jusqu'ici.
Ces résultats ne nous aident pas seulement à comprendre la chimie du brome dans l'atmosphère, ils seront aussi inclus dans les futurs modèles atmosphériques et contribueront ainsi à notre compréhension de l'évolution du climat et de la composition de l'air, relève Markus Ammann, chef du groupe de recherche Chimie des surfaces. En même temps, ces résultats montrent que la chambre d'expérience unique au monde développée par les chercheurs du PSI permet bel et bien comme prévu d'obtenir certaines informations.
A l'avenir, cette chambre sera aussi mise à disposition d'autres chercheurs qui étudient les processus qui se jouent au niveau des surfaces dans le contexte de la recherche énergétique et environnementale, souligne Luca Artiglia.
Texte: Institut Paul Scherrer/Paul Piwnicki
La nouvelle chambre d'expérience en détailLa mise en place de l'expérience s'est accompagnée d'un défi particulier: d'un côté, la méthode d'analyse nécessite que l'échantillon examiné se trouve dans le vide. Mais de l'autre, dans le vide, l'eau s'évapore inévitablement et la vapeur d'eau se propage. Bref, le vide n'est guère compatible avec l'analyse de l'air et de l'eau. Mais les chercheurs ont développé un compromis technique à cet effet.
La méthode qu'ils ont utilisée est la spectroscopie d'émission photoélectronique. Lors de ce procédé, la lumière de type rayons X de la SLS éjecte des électrons de l'échantillon et ces derniers sont ensuite repérés par un détecteur. Il est important que lors de leur trajectoire jusqu'au détecteur, les électrons n'entrent pas en collision avec les molécules d'air.
Pour leur expérience, les chercheurs règlent l'énergie de la lumière de type rayons X utilisée sur une certaine valeur et étudient, pour chaque cas, la corrélation entre le nombre d'électrons éjectés et leur vitesse. Le fait que les électrons soient plus ou moins liés dans les différentes substances permet de déterminer celles que contient l'échantillon.
Seuls les électrons à une profondeur de quelques nanomètres (millionièmes de millimètre) peuvent être mesurés, explique Markus Ammann. La méthode est donc très sensible à la composition chimique de la surface.
Dans notre expérience, nous faisons s'écouler l'eau avec le bromure dissous sous la forme d'un jet d'un dixième de millier de millimètre de largeur à travers notre chambre d'expérience, et ce à une vitesse de 100 mètres par seconde! C'est si rapide que l'eau a à peine le temps de s'évaporer, détaille Luca Artiglia. Puis nous déclenchons un flux d'air avec une quantité d'ozone définie. Nous initions ainsi la même réaction chimique que celle qui se joue à la surface de la mer ou au niveau des particules d'origine marine.Juste après, la lumière de type rayons X de la SLS atteint le jet d'eau et le détecteur identifie à la surface de l'eau les substances qui viennent d'apparaître.
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 2100 personnes, étant ainsi le plus grand institut de recherche de Suisse. Le budget annuel est d'environ CHF 380 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 2017)