Des chercheurs révèlent les origines des particules qui régulent le climat

Les particules d’aérosol sont minuscules. Suspendues dans l’air qui nous entoure, la plupart sont plus petites que le plus petit insecte, plus fines que le plus fin des cheveux de votre tête, des particules diaphanes pratiquement invisibles à l’œil nu. Les particules nouvellement formées sont de taille nanométrique. Pourtant, leur influence est gargantuesque.

Ils déterminent la couleur des couchers de soleil. Ils provoquent plus de trois millions de décès prématurés chaque année. Et ils ont un pouvoir considérable sur notre climat.

Malgré leur effet démesuré, les aérosols demeurent entourés de mystère. Comment naissent les nouvelles particules d’aérosol ? Où naissent-elles et dans quelles conditions ? Ces questions inquiètent les climatologues depuis des décennies et ajoutent une certaine incertitude aux modèles climatiques.

Dans un nouveau travailune équipe dirigée par des scientifiques du Pacific Northwest National Laboratory du ministère de l’Énergie a finalement répondu à certaines des questions les plus fondamentales sur la façon dont les nouvelles particules d’aérosol apparaissent. En prenant en compte les interactions au niveau moléculaire entre les substances qui composent ces minuscules particules dans un modèle du système terrestre, l’équipe, dont les travaux sont menés dans le cadre du projet EAGLES (Enabling Aerosol-cloud interactions at GLobal convection-permitting scalES), a franchi trois étapes majeures.

Ils ont intégré 11 nouvelles voies par lesquelles de nouvelles particules d’aérosol se forment dans un modèle climatique mondial, identifié où dans le monde ces voies se déroulent et évalué leurs impacts potentiels sur le climat de la Terre.

« Représenter correctement la formation de nouvelles particules est une épine dans notre pied depuis un certain temps », a déclaré Po-Lun Ma, géologue et chercheur principal d’EAGLES. « Maintenant que nous avons identifié ces nouveaux mécanismes, nos résultats devraient avoir deux effets importants : réduire considérablement ce qui a été jusqu’à présent la plus grande source d’incertitude dans la science des aérosols et du climat et améliorer notre capacité à prédire comment le système terrestre pourrait changer. »

Leurs résultats ont été récemment publiés dans NatureL’œuvre représente un effort de collaboration entre de nombreuses institutions.

Points chauds de particules

Les particules d’aérosols se forment de différentes manières. Certaines, dites primaires, sont éjectées directement dans l’atmosphère, comme la poussière d’un désert ou les cendres d’un volcan. D’autres naissent dans le ciel, produits de gaz qui se mélangent dans le milieu atmosphérique. Ce sont ces particules qui retiennent l’attention de l’équipe EAGLES.

Les nouvelles particules ne naissent pas n’importe où ; il existe des points chauds. Une grande partie de l’action se déroule au-dessus des forêts, comme les forêts tropicales d’Amazonie centrale et d’Asie du Sud-Est.

Là, l’air « propre », exempt d’aérosols primaires, permet le mélange chimique adéquat qui donne naissance à de nouvelles particules. Les scientifiques ont détecté d’énormes concentrations de nouvelles particules au-dessus de ces forêts.

Mais les modèles climatiques actuels sont en partie aveugles à ces pics de particules. Lorsqu’on leur demande d’estimer le nombre de particules présentes ou leur localisation dans l’atmosphère, même les meilleurs modèles sous-estiment largement leur abondance ou identifient mal les altitudes auxquelles elles apparaissent.

Grâce aux nouvelles voies mises au point par l’équipe EAGLES, cet angle mort est désormais clarifié. Lorsque l’équipe a intégré les voies dans le modèle du système terrestre du DOE, E3SMles pics de particules correspondaient à ce qu’ils avaient observé dans des observations du monde réel.

Non seulement le modèle révisé a correctement simulé la quantité de ces particules, mais il a également permis aux chercheurs de les localiser là où ils les avaient trouvées lors des campagnes de terrain, en identifiant correctement que bon nombre de ces nouvelles particules apparaissent dans la haute troposphère. L’équipe a obtenu des résultats similaires en faisant correspondre les prédictions du modèle aux mesures réelles dans d’autres points chauds, comme au-dessus des océans et des villes.

En adoptant une vue d’ensemble à l’échelle mondiale, l’équipe a découvert que la concentration mondiale moyenne de ces particules était presque trois fois supérieure à la quantité estimée à l’aide des méthodes traditionnelles.

Des nuages ​​qui régulent le climat

Les aérosols et les nuages ​​entretiennent une relation étroite. Les particules d’aérosol sont les graines des nuages. L’humidité atmosphérique se condense sur la surface des particules d’aérosol, une molécule d’eau se coagulant après l’autre comme des brins de barbe à papa superposés sur un cône.

Les propriétés d’une particule (sa composition chimique, sa taille et sa structure) déterminent les caractéristiques du nuage qui se forme autour d’elle. Un type de particule peut rendre le nuage correspondant plus ou moins susceptible de pleuvoir. Un autre type de particule peut déterminer si un nuage réfléchit plus ou moins la lumière du soleil, ce qui détermine à son tour si l’atmosphère terrestre se réchauffe plus ou moins.

De cette façon, les nuages ​​et les particules d’aérosols contrôlent une grande partie de notre temps et de notre climat. Ils peuvent réchauffer, refroidir ou même modifier la structure et le flux de l’atmosphère terrestre.

De nombreux scientifiques pensent que les nouvelles particules, comme celles que l’équipe EAGLES tente de comprendre, constituent environ la moitié des graines qui se transformeront plus tard en nuages. Dans les nouveaux travaux, l’équipe montre cependant que ces particules pourraient, dans certaines régions, être responsables d’encore plus de particules.

Au-dessus des océans tropicaux et de latitude moyenne, les nouvelles particules générées localement pourraient représenter jusqu’à 80 % de la matière sur laquelle se condensent les nuages. Au-dessus de l’Europe et de l’est des États-Unis, elles pourraient représenter 65 % de la matière d’origine des nuages.

Le rôle des particules dans la réponse climatique

Comprendre l’influence des aérosols sur le climat de la Terre est essentiel pour prévoir l’évolution de notre planète. Les pays cherchant à freiner le réchauffement climatique en réduisant leurs émissions, le climat réagira en retour. Il est impératif d’améliorer les modèles climatiques pour refléter au plus près la complexité du système terrestre, a déclaré Ma, afin de prévoir la réaction du climat.

« Notre objectif principal est de créer des représentations de plus en plus réalistes du système climatique », a déclaré Ma. « Et les aérosols ont été un obstacle majeur sur la voie de cet objectif. Nous nous appuyons énormément sur les modèles du système terrestre pour tester les scénarios d’émissions et prédire les réactions climatiques. Plus ils reflètent la réalité, plus nous pouvons être sûrs de nos prévisions. »

Bien qu’un grand mystère demeure autour des particules d’aérosol, a déclaré le géologue Hailong Wang, co-auteur de la nouvelle étude, les chercheurs s’efforcent continuellement de dissiper cette incertitude.

« Nous ne pouvons pas affirmer avec certitude quel sera l’impact total de leur présence ou de leur absence tant que nous n’aurons pas une compréhension solide et mécaniste des particules d’aérosols », a déclaré Wang. « Et cette recherche marque une étape importante vers cette compréhension. »