Une découverte de l’ancien Ph.D. de Carnegie Mellon. étudiant, Mingyi Wang, à la tête d’une grande équipe collaborative, met en lumière une façon dont de nouvelles particules se forment dans la haute troposphère. L’étude, publiée dans Nature, révèle une réaction volatile inattendue entre l’acide nitrique, l’acide sulfurique et l’ammoniac, créant en synergie de nouvelles particules à un rythme rapide. Les résultats suggèrent qu’en plus du dioxyde de carbone, il existe d’autres composés nécessitant une attention et une réglementation.
La présence d’ammoniac a été découvert pour la première fois dans la haute troposphère en 2016 à l’aide de l’analyse des spectres d’émission des limbes infrarouges moyens MIPAS (Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding). Des scientifiques de l’Institut de technologie de Karlsruhe (Allemagne), de l’Université du Colorado à Boulder et de l’Universidad Nacional Autónoma de México ont effectué un « CT Scan » de l’atmosphère, se déplaçant le long des latitudes et des longitudes, mesurant les concentrations et les compositions des particules dans la haute troposphère.
L’ammoniac provient principalement de l’agriculture et des véhicules dans les environnements urbains condensés. Lorsque les scientifiques ont détecté le composé dans la haute troposphère, ils ont été surpris par la distance parcourue dans l’atmosphère, soulevant des questions sur la façon dont il y est transporté et son effet sur la masse et la création des particules.
Après avoir pris connaissance de l’ancienne étude, Wang, titulaire d’un doctorat. étudiant au département de chimie de Carnegie Mellon, s’est intéressé à la réaction entre l’ammoniac, l’acide nitrique et l’acide sulfurique dans l’atmosphère. Dans un étude 2020également publié dans Nature, Wang a découvert que dans des conditions froides, comme celle du climat hivernal à Pékin, le mélange de ces trois agents contribue et se condense en particules nanométriques, augmentant rapidement leur masse.
Avec cette découverte, Wang est devenu curieux de savoir à quoi ressemblerait cette réaction dans des régions encore plus froides et plus extrêmes, alors il a commencé à concevoir une expérience pour la tester dans des conditions similaires à la haute troposphère.
« Il existe un nombre très limité d’instruments disponibles pour identifier les processus qui créent des particules dans la haute troposphère », a déclaré Wang. « Nous devons nous fier aux expériences de laboratoire pour comprendre ce qui peut se produire dans ces conditions. »
Pour analyser cela, Wang s’est rendu en Suisse en tant que membre de la Collaboration CLOUD pour tester son expérience au Conseil européen pour la recherche nucléaire (CERN). À l’aide de leur installation de chambre, Wang a créé des conditions atmosphériques contrôlées avec précision et observé des réactions en temps réel. Au moment d’ajouter de l’ammoniac dans la chambre, Wang s’attendait à voir le mélange d’acides et de bases se condenser sur les particules existantes et augmenter leur masse, comme il l’avait découvert précédemment. Cependant, à sa grande surprise, il a vu une explosion de nouvelles particules se former rapidement.
« Ce que nous avons découvert, c’est que l’acide nitrique et l’ammoniac sont sensibles aux changements de température. Lorsque la température se refroidit, ils peuvent en fait passer par le processus de conversion du gaz en particules, créant de nouvelles particules et augmentant la concentration globale du nombre de particules », a déclaré Wang.
« C’est important, surtout dans la haute troposphère relativement propre. Les sources d’émissions sont limitées là-haut. Il n’y a pas d’usines ou de fermes, et on pense que les avions constituent la plupart des polluants dans cette zone. Tout polluant dans la haute troposphère jouent un rôle très différent de celui qu’ils jouent dans la couche limite (la partie la plus basse de la troposphère, directement impactée par la présence de la surface terrestre). La température et l’interaction entre les espèces dans chacune sont également très différentes.
En collaboration avec un certain nombre de climatologues de renommée mondiale, dont le professeur de recherche adjoint en ingénierie Carnegie Mellon, Hamish Gordon, Wang et ses collègues chercheurs ont mené des simulations de modélisation mondiales, démontrant comment l’ammoniac est transporté vers la haute troposphère et ensuite dispersé.
De plus, le doctorat en génie chimique CMU. L’étudiant et co-auteur Brandon Lopez a découvert que même une infime quantité d’acide sulfurique pouvait transformer les particules en formidables noyaux de glace.
Le groupe a découvert que l’ammoniac est convecté vers le haut lors d’événements comme la mousson asiatique. Étant donné que l’ammoniac est très soluble, lorsqu’il traverse les nuages, il commence à se dissoudre en gouttelettes de nuages. Ces gouttelettes gèlent ensuite, devenant des cristaux de glace, libérant à nouveau des portions d’ammoniac dans l’atmosphère, produisant des particules qui peuvent se propager à travers l’hémisphère nord des latitudes moyennes.
« Cette découverte nous amène à nous demander si d’autres espèces, telles que les composés organiques, peuvent également être transportées vers la haute troposphère par ce processus », a déclaré Wang.
Le conseiller de Wang, co-auteur et climatologue de classe mondiale, Neil Donahue, a expliqué l’importance de comprendre la gamme possible de composés qui pourraient être convectés et leur impact potentiel.
« Toute l’incertitude scientifique autour du changement climatique est liée aux nuages d’une manière ou d’une autre », a déclaré Donahue, professeur Thomas Lord aux départements de chimie, de génie chimique et d’ingénierie et de politique publique de Carnegie Mellon. « Pour faire des nuages, vous avez besoin d’eau pour nucléer ou geler. »
« Dans les parties polluées de l’atmosphère plus proches du sol, comme celle au-dessus des grandes villes, les agents et les particules qui agissent comme des noyaux de nuages (graines) sont abondants, mais ils sont assez rares dans les vastes zones de la haute atmosphère. La nature des nuages peut beaucoup changer en fonction du type et de la quantité de particules présentes, donc la formation de ces particules et la modification de la composition des nuages dans la haute atmosphère pourraient avoir un impact significatif sur le climat. »
La réduction des émissions de dioxyde de carbone (CO2) continue d’être un objectif majeur des climatologues et des législateurs. Bien que Wang affirme que la réduction du CO2 en diminuant la combustion des combustibles fossiles aidera à réduire plusieurs autres polluants, il pense qu’il est impératif de commencer à élaborer des réglementations axées spécifiquement sur les émissions d’ammoniac.
« Nous savons que nous devons réduire les émissions de soufre et d’oxyde d’azote des centrales électriques au charbon et des véhicules, mais il est maintenant évident que nous devrions également penser à réduire les émissions d’ammoniac des véhicules et de l’agriculture. Il s’avère qu’il joue un rôle essentiel à la fois dans la couche limite, affectant la qualité de l’air, mais aussi dans la composition de la haute troposphère. »
Wang, maintenant post-doctorant au California Institute of Technology, dit que la prochaine étape consiste à concevoir des études supplémentaires pour découvrir si d’autres composés parviennent à la haute troposphère de la même manière.
Mingyi Wang et al, Formation synergique de particules HNO3–H2SO4–NH3 dans la haute troposphère, Nature (2022). DOI : 10.1038/s41586-022-04605-4