Une équipe de recherche conjointe dirigée par le Dr Jingkun Jiang de l’Université Tsinghua et le Dr Markku Kulmala de l’Université d’Helsinki a signalé un mécanisme efficace permettant à l’acide sulfurique gazeux et aux bases de former des particules ultrafines atmosphériques. Les résultats expliquent la formation rapide de particules ultrafines secondaires, qui pourraient encore influencer la qualité de l’air et le climat.
L’équipe a découvert que les réactions acide-base sont les principales forces motrices permettant aux précurseurs gazeux de surmonter la tension superficielle et de former des particules ultrafines, et que le mécanisme clé est la formation d’hétérodimères acide-base cachés. Ce mécanisme caché explique le taux élevé de formation de particules dans les mégalopoles chinoises.
Leurs conclusions ont été publiées dans Examen scientifique national.
« Il y a des centaines de milliers de particules ultrafines dans l’air par centimètre cube dans les mégapoles chinoises, et un nouvel événement de formation de particules par un midi ensoleillé peut facilement élever leur concentration d’un ordre de grandeur en quelques heures », a déclaré Jiang.
Pour expliquer comment de nouvelles particules peuvent être si efficacement converties à partir de précurseurs gazeux, Jiang et Kulmala, ainsi que le Dr Runlong Cai, sont déterminés à rechercher le mécanisme clé de la formation rapide de nouvelles particules. Ils savent que l’acide sulfurique est un précurseur primaire, alors que le défi consiste à trouver les bases clés parmi de nombreux candidats. « L’air urbain est un cocktail complexe de produits chimiques avec des interactions et des rétroactions mal comprises », a commenté Kulmala.
Les chercheurs ont observé des amas moléculaires très abondants contenant de l’acide sulfurique lors de la formation de nouvelles particules à Pékin et à Shanghai. Certains des amas mesurés contiennent de l’acide sulfurique et des molécules d’amine. Ceux-ci fournissent des preuves solides de la participation des amines à la formation d’agrégats d’acide sulfurique stables, ce qui augmente le taux de conversion de l’acide sulfurique gazeux en nouvelles particules.
« Il est fascinant que nous ayons mesuré moins de bases que d’acides dans un cluster. Il doit y avoir des informations clés cachées derrière les signaux mesurés », déclare Cai. Il a été précédemment proposé que le regroupement entre une molécule de base et un homodimère d’acide sulfurique soit le mécanisme clé de la formation de nouvelles particules, car il n’y avait pas de molécules de base dans les clusters mesurés contenant une molécule d’acide sulfurique. L’équipe de recherche, cependant, a découvert qu’il s’agissait d’un artefact de mesure.
En combinant des mesures à long terme et une théorie basée sur la chimie quantique et la cinétique des clusters, ils ont découvert que la formation d’hétérodimères acide-base cachés est le mécanisme clé. Ce mécanisme est beaucoup plus efficace que le mécanisme précédemment proposé avec des homodimères acide-acide, assurant la formation rapide d’amas d’acide sulfurique et de nouvelles particules.
Les hétérodimères cachés résolvent l’énigme des raisons pour lesquelles de nouvelles particules pourraient être fréquemment formées contre une charge de particules de fond élevée dans les mégapoles. Les hétérodimères acide-base cachés avec une fraction considérable dans les signaux d’acide sulfurique mesurés peuvent effectivement se regrouper les uns avec les autres. Cela garantit un taux élevé de formation de particules approchant le maximum théorique même à une faible concentration ambiante en amine. Les hétérodimères cachés expliquent également la dépendance à la température de la formation de nouvelles particules à Pékin et Shanghai. « Les mesures atmosphériques sont souvent perturbées par de nombreux facteurs. Je ne m’attendais pas à une cohérence aussi étonnante entre les mesures et la nouvelle théorie », déclare Cai.
L’équipe a également recherché les molécules de base cachées à l’aide d’analyses thermodynamiques et cinétiques. Parmi les molécules gazeuses mesurées, les amines fortes telles que la diméthylamine servent de bases clés dans les hétérodimères acide-base, tandis que l’ammoniac très abondant et d’autres bases faibles sont plus susceptibles d’être impliqués dans le processus de croissance ultérieur des grappes.
Runlong Cai et al, Les molécules de base manquantes dans la nucléation acide-base atmosphérique, Examen scientifique national (2022). DOI : 10.1093/nsr/nwac137