L’amplification de la lumière accélère les réactions chimiques dans les aérosols

Les aérosols dans l’atmosphère réagissent à la lumière solaire incidente. Cette lumière est amplifiée à l’intérieur des gouttelettes et des particules d’aérosol, accélérant les réactions. Les chercheurs de l’ETH ont maintenant pu démontrer et quantifier cet effet et recommandent de le prendre en compte dans les futurs modèles climatiques.

Les gouttelettes de liquide et les particules très fines peuvent piéger la lumière, de la même manière que la lumière peut être captée entre deux miroirs. En conséquence, l’intensité de la lumière à l’intérieur d’eux est amplifiée. Cela se produit également dans les très fines gouttelettes d’eau et les particules solides de notre atmosphère, c’est-à-dire les aérosols. À l’aide de 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 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, les chercheurs ont étudié des aérosols constitués 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 des zones au sein des particules d’aérosol composées de citrate de fer(III) de celles constituées de citrate de fer(II) jusqu’à une précision de 25 nanomètres. De cette manière, les scientifiques ont pu observer et cartographier en haute résolution la séquence temporelle de cette réaction photochimique dans des particules d’aérosol individuelles.

Décomposition lors de l’exposition à la lumière

« Pour nous, le citrate de fer (III) était un composé représentatif qui était facile à étudier avec notre méthode », explique Pablo Corral Arroyo, postdoctorant dans le groupe dirigé par la professeure ETH Ruth Signorell et auteur principal de l’étude. Le citrate de fer (III) représente toute une gamme d’autres composés chimiques qui peuvent se trouver 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, modifiant leurs propriétés », explique Signorell. Entre autres choses, ils diffusent différemment la lumière du soleil, ce qui affecte les phénomènes météorologiques et climatiques. De plus, leurs caractéristiques en tant que noyaux de condensation dans la formation des nuages ​​changent.

En tant que tels, les résultats ont également un effet sur la recherche sur le climat. « Les modèles informatiques actuels de la chimie atmosphérique mondiale ne tiennent pas encore compte de cet effet d’amplification de la lumière », déclare le professeur Signorell de l’ETH. Les chercheurs suggèrent d’intégrer l’effet dans ces modèles à l’avenir.

Temps de réaction non uniformes dans les particules

Désormais précisément cartographiée et quantifiée, l’amplification de la lumière dans les particules se fait par des effets de résonance. L’intensité lumineuse est la plus grande du côté de la particule opposé à celui sur lequel la lumière brille. « Dans ce hotspot, les réactions photochimiques sont jusqu’à dix fois plus rapides qu’elles ne le seraient sans l’effet de résonance », explique Corral Arroyo. En moyenne sur l’ensemble de la particule, cela donne une accélération par le facteur mentionné ci-dessus de deux à trois. Les réactions photochimiques dans l’atmosphère durent généralement plusieurs heures, voire plusieurs jours.

En utilisant les données de leur expérience, les chercheurs ont pu créer un modèle informatique pour estimer l’effet sur une gamme d’autres réactions photochimiques d’aérosols typiques dans l’atmosphère. Il s’est avéré que l’effet ne concernait 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 aussi deux à trois fois plus rapides en moyenne.

La recherche a été publiée dans Science.