Comment les arbres influencent la formation des nuages

Dans le cadre du projet international CLOUD du Centre de recherche nucléaire du CERN, des chercheurs du PSI ont identifié les sesquiterpènes, des hydrocarbures gazeux libérés par les plantes, comme étant un facteur majeur dans la formation des nuages. Cette découverte pourrait réduire les incertitudes des modèles climatiques et aider à faire des prévisions plus précises. Le étude a maintenant été publié dans la revue Avancées scientifiques.

Selon les dernières projections du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC), le climat mondial sera de 1,5 à 4,4 degrés Celsius plus chaud que les niveaux préindustriels d’ici 2100. Ce chiffre est basé sur différents scénarios décrivant l’évolution possible des émissions anthropiques de gaz à effet de serre. à l’avenir. Ainsi, dans le meilleur des cas, si nous parvenons à réduire les émissions rapidement et radicalement, nous pouvons toujours atteindre l’objectif de 1,5 degré de l’Accord de Paris.

Dans le pire des cas, nous finirons bien au-dessus. Toutefois, ces projections sont également sujettes à une certaine incertitude. Dans le pire des cas, par exemple, avec une augmentation continue des émissions, la hausse de la température pourrait être aussi faible que 3,3 ou aussi élevée que 5,7 degrés Celsius, au lieu de 4,4 degrés.

Ces incertitudes dans la prévision de l’évolution des températures en raison de l’évolution concrète des émissions de gaz à effet de serre sont essentiellement dues au fait que les scientifiques ne comprennent pas encore pleinement tous les processus qui se produisent dans l’atmosphère, c’est-à-dire les interactions entre les différents gaz et aérosols qu’elle contient. . Leur mise en place est l’objectif du projet CLOUD (Cosmics Leaving Outdoor Droplets), une collaboration internationale entre chercheurs en atmosphère du centre de recherche nucléaire du CERN à Genève. Le PSI a contribué à la construction de la chambre CLOUD et est membre du comité de pilotage du projet.

Le mystère de la formation des nuages

En particulier, l’évolution future de la nébulosité reste pour l’instant largement floue. Cependant, il s’agit d’un facteur clé dans la prévision du climat, car davantage de nuages ​​reflètent davantage le rayonnement solaire, refroidissant ainsi la surface de la Terre.

Pour former les gouttelettes qui composent les nuages, la vapeur d’eau a besoin de noyaux de condensation, particules solides ou liquides sur lesquelles se condenser. Ceux-ci sont fournis par une grande variété d’aérosols, de minuscules particules solides ou liquides mesurant entre 0,1 et 10 micromètres de diamètre, qui sont produits et rejetés dans l’air à la fois par la nature et par l’activité humaine. Ces particules peuvent inclure du sel de la mer, du sable du désert, des polluants provenant de l’industrie et du trafic ou des particules de suie provenant d’incendies, par exemple.

Cependant, environ la moitié des noyaux de condensation se forment en réalité dans l’air lorsque différentes molécules gazeuses se combinent et se transforment en solides, un phénomène que les experts appellent « nucléation » ou « formation de nouvelles particules » (NPF). Au début, ces particules sont minuscules, à peine plus grandes que quelques nanomètres, mais avec le temps, elles peuvent croître grâce à la condensation de molécules gazeuses et servir ensuite de noyaux de condensation.

Des gaz à effet de serre que vous pouvez sentir

Le principal gaz anthropique contribuant à la formation de particules est le dioxyde de soufre sous forme d’acide sulfurique, provenant principalement de la combustion du charbon et du pétrole. Les gaz naturels les plus importants impliqués sont les isoprènes, les monoterpènes et les sesquiterpènes. Ce sont des hydrocarbures principalement rejetés par la végétation. Ce sont des composants clés des huiles essentielles que nous sentons lorsque, par exemple, on coupe l’herbe ou que l’on se promène dans les bois. Lorsque ces substances s’oxydent, c’est-à-dire réagissent avec l’ozone, elles forment dans l’air des aérosols.

«Il convient de noter que la concentration de dioxyde de soufre dans l’air a considérablement diminué ces dernières années en raison du renforcement de la législation environnementale et qu’elle va continuer à diminuer», estime Lubna Dada, spécialiste de l’atmosphère au PSI.

« La concentration de terpènes, en revanche, augmente parce que les plantes en libèrent davantage lorsqu’elles subissent un stress, par exemple lorsqu’il y a une augmentation des températures et des conditions météorologiques extrêmes et que la végétation est plus fréquemment exposée aux sécheresses. »

La grande question pour améliorer les prévisions climatiques est donc de savoir lequel des facteurs prédominera, conduisant à une augmentation ou à une diminution de la formation des nuages. Pour répondre à cette question, il faudrait savoir comment chacune de ces substances contribue à la formation de nouvelles particules. On sait déjà beaucoup de choses sur l’acide sulfurique, et le rôle des monoterpènes et de l’isoprène est désormais mieux compris grâce à des mesures sur le terrain et à des expériences en chambre comme CLOUD, dans lesquelles le PSI a participé.

Les sesquiterpènes sont rares mais efficaces

Jusqu’à présent, les sesquiterpènes n’ont pas fait l’objet de recherches. « C’est parce qu’ils sont assez difficiles à mesurer », explique Dada. « D’abord parce qu’ils réagissent très rapidement avec l’ozone, et ensuite parce qu’ils sont beaucoup moins fréquents que les autres substances. »

Environ 465 millions de tonnes d’isoprène et 91 millions de tonnes de monoterpènes sont rejetées chaque année, alors que les sesquiterpènes ne représentent que 24 millions de tonnes. Néanmoins, la nouvelle étude, dont Dada est l’auteur principal, a montré que ces composés jouent un rôle important dans la formation des nuages. Selon les mesures, elles forment dix fois plus de particules que les deux autres substances organiques à même concentration.

Pour déterminer cela, Dada et ses co-auteurs ont utilisé la chambre CLOUD unique de l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire, le CERN. La chambre est une pièce étanche dans laquelle différentes conditions atmosphériques peuvent être simulées. « Avec près de 30 mètres cubes, cette chambre climatique est la plus pure du genre au monde », explique Dada. « Si pur qu’il nous permet d’étudier les sesquiterpènes même aux faibles concentrations enregistrées dans l’atmosphère. »

C’était précisément l’objectif de l’étude. Il a été conçu pour simuler la formation de particules biogéniques dans l’atmosphère. Plus précisément, les chercheurs se sont intéressés à l’époque préindustrielle, où il n’y avait pas d’émissions anthropiques de dioxyde de soufre. Cela permet de déterminer plus clairement les effets des activités humaines et de les projeter dans le futur. Cependant, le dioxyde de soufre anthropique est depuis longtemps devenu omniprésent dans la nature. C’est une autre raison pour laquelle seule la chambre CLOUD était viable. Il permet également de produire un mélange préindustriel dans des conditions contrôlées.

Les particules persistantes entraînent davantage de nuages

Les expériences ont révélé que l’oxydation d’un mélange naturel d’isoprène, de monoterpènes et de sesquiterpènes dans l’air pur produit une grande variété de composés organiques, appelés ULVOC (Ultra-Low-Volatility Organic Components). Comme leur nom l’indique, ceux-ci sont peu volatils et forment donc très efficacement des particules, qui peuvent croître avec le temps pour devenir des noyaux de condensation.

L’énorme effet des sesquiterpènes a été révélé lorsque les chercheurs ont ajouté des sesquiterpènes dans la chambre avec une suspension composée uniquement d’isoprènes et de monoterpènes. Même en ajoutant seulement deux pour cent, le taux de formation de nouvelles particules a doublé. « Cela peut s’expliquer par le fait qu’une molécule de sesquiterpène est constituée de 15 atomes de carbone, alors que les monoterpènes n’en contiennent que dix et les isoprènes seulement cinq », explique Dada.

D’une part, l’étude révèle un autre moyen par lequel la végétation peut influencer le temps et le climat. Mais surtout, les résultats de la recherche suggèrent que les sesquiterpènes devraient être inclus comme facteur distinct dans les futurs modèles climatiques, aux côtés des isoprènes et des monoterpènes, afin de rendre leurs prévisions plus précises.

Cela est particulièrement vrai à la lumière de la diminution des concentrations atmosphériques de dioxyde de soufre et de l’augmentation simultanée des émissions biogéniques en raison du stress climatique, ce qui signifie que ces dernières sont susceptibles de devenir de plus en plus importantes pour notre climat futur. Cependant, d’autres études sont également nécessaires pour améliorer encore les prévisions de formation des nuages. Ceux-ci sont déjà en projet au Laboratoire de Chimie Atmosphérique.

« Ensuite », déclare Imad El Haddad, chef de groupe pour les processus moléculaires atmosphériques, « nous et nos partenaires CLOUD souhaitons étudier ce qui s’est exactement passé pendant l’industrialisation, lorsque l’atmosphère naturelle s’est de plus en plus mélangée à des gaz anthropiques tels que le dioxyde de soufre, l’ammoniac et d’autres gaz anthropiques. composés organiques. »