Selon une étude récente menée par des chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), les gaz dérivés du feuillage des plantes entraînent un phénomène atmosphérique jusqu’alors inconnu au-dessus de la forêt amazonienne.
Les résultats ont des applications importantes pour la science atmosphérique et pour la modélisation du changement climatique.
« La forêt tropicale amazonienne constitue les poumons de la Terre, et cette étude relie les processus naturels de la forêt aux aérosols, aux nuages et à l’équilibre radiatif de la Terre d’une manière qui n’a pas été reconnue auparavant », a déclaré Manish Shrivastava, scientifique de la Terre au PNNL et investigateur principal de l’étude.
Les résultats ont été récemment publiés dans ACS Chimie de la Terre et de l’Espace.
Combler le manque de données manquantes
Shrivastava et son équipe étudiaient les particules fines dans la haute atmosphère lorsqu’ils ont découvert une grande disparité entre leurs mesures et ce qui aurait été attendu sur la base des connaissances actuelles des modèles atmosphériques. Grâce à une étude plus approfondie, l’équipe a découvert qu’il manquait des interactions clés entre la forêt et l’atmosphère dans les modèles atmosphériques actuels qui régissent la quantité de particules fines dans la haute atmosphère.
Les chercheurs ont découvert un processus auparavant non reconnu impliquant des gaz semi-volatils émis par les plantes dans toute la forêt amazonienne et transportés dans la haute atmosphère par les nuages. Ces gaz sont des composés chimiques naturels à base de carbone qui peuvent facilement se condenser pour former de fines particules dans la haute atmosphère. Ce processus, a déclaré Shrivastava, est très efficace pour produire de fines particules à haute altitude et à des températures froides. Ces fines particules refroidissent la planète en réduisant la quantité de lumière solaire atteignant la Terre, et elles engendrent également des nuages qui affectent les précipitations et le cycle de l’eau.
« Sans une compréhension complète de la source semi-volatile de gaz organiques, nous ne pouvons tout simplement pas expliquer la présence et le rôle des composants clés des particules à haute altitude », a déclaré Shrivastava.
Découverte cruciale dans les processus atmosphériques
Le projet de recherche de Shrivastava, financé par une bourse de recherche en début de carrière du Département de l’énergie (DOE), consistait à étudier la formation de particules d’aérosol connues sous le nom d’aérosols organiques secondaires d’isoprène époxydiol (IEPOX-SOA), qui sont mesurées par des avions volant à différentes altitudes.
Les IEPOX-SOA sont des composants essentiels pour les particules fines trouvées à toutes les altitudes de la troposphère – la région de l’atmosphère s’étendant de la surface de la Terre à environ 20 kilomètres d’altitude au-dessus des régions tropicales. Cependant, les modèles atmosphériques ne tenaient pas suffisamment compte de ces particules et de leur influence sur les nuages au-dessus de la Terre.
« Comme les modèles ne prédisaient pas les charges IEPOX-SOA observées à des altitudes de 10 à 14 kilomètres en Amazonie, nous obtenions ce que je pensais être soit des défaillances du modèle, soit un manque de compréhension des mesures », a déclaré Shrivastava. « Je pouvais l’expliquer à la surface, mais je ne pouvais pas l’expliquer à des altitudes plus élevées. »
Shrivastava et son équipe ont parcouru les données recueillies par l’avion Grumman Gulfstream-159 (G-1), un laboratoire de vol du DOE exploité par l’installation aérienne de mesure du rayonnement atmosphérique (ARM), qui a volé jusqu’à 5 kilomètres d’altitude. L’équipe a également comparé les données recueillies par un avion allemand connu sous le nom d’avion de recherche à haute altitude et à longue portée, ou HALO, qui vole à des altitudes atteignant 14 kilomètres. Sur la base des projections modélisées, leurs charges d’IEPOX-SOA auraient dû être au moins d’un ordre de grandeur inférieur à ce qui a été mesuré, a déclaré Shrivastava. Ni lui ni ses collègues en dehors du PNNL n’ont pu expliquer la disparité des mesures et ce que les modèles projetaient.
Avant les recherches de l’équipe, on pensait que les IEPOX-SOA étaient principalement formés par des voies chimiques atmosphériques multiphases impliquant des réactions d’isoprène en phase gazeuse et de particules contenant de l’eau liquide. Cependant, les voies chimiques atmosphériques nécessaires à la création d’IEPOX-SOA ne se produisent pas dans la haute troposphère en raison de ses températures extrêmement froides et de ses conditions sèches. A cette altitude, les particules et les nuages sont gelés et manquent d’eau liquide. Les chercheurs n’ont donc pas pu expliquer leur formation observée à 10 à 14 kilomètres d’altitude à l’aide des modèles disponibles.
Pour percer le mystère, les chercheurs ont combiné des mesures d’avions à haute altitude spécialisées et des simulations détaillées de modèles régionaux menées à l’aide de ressources de supercalcul au Laboratoire de sciences moléculaires de l’environnement du PNNL. Leur étude a révélé la composante non découverte des processus atmosphériques. Un gaz semi-volatil connu sous le nom de 2-méthyltétrol est transporté par les courants ascendants des nuages dans la haute troposphère froide. Le gaz se condense ensuite pour former des particules qui sont détectées comme des IEPOX-SOA par l’avion.
« Il s’agit certainement d’une découverte importante car elle nous aide à comprendre comment ces fines particules se forment, et éclaire donc d’un jour nouveau la façon dont les processus naturels de la forêt refroidissent la planète et contribuent aux nuages et aux précipitations », a déclaré Shrivastava. « Avec un climat mondial changeant et une déforestation rapide dans de nombreuses régions de l’Amazonie, les humains perturbent les processus naturels clés qui produisent des particules fines dans l’atmosphère et modulent le réchauffement climatique. »
Ouvrir les portes à de nouvelles recherches atmosphériques
La découverte de l’équipe ne fait qu’effleurer la surface, a déclaré Shrivastava, en découvrant ce nouveau processus atmosphérique et comment il affecte la formation de particules fines dans l’atmosphère. Il a déclaré que le processus nouvellement identifié à partir des plantes pourrait expliquer un large éventail de phénomènes de particules atmosphériques dans d’autres endroits boisés à travers le monde.
« Dans le grand schéma, ce n’est que le début de ce que nous savons et ouvrira de nouvelles frontières de la recherche sur les interactions terre-atmosphère-aérosol-nuage », a-t-il déclaré. « Comprendre comment la forêt produit ces particules pourrait nous aider à comprendre comment la déforestation et le changement climatique affecteront le réchauffement climatique et le cycle de l’eau. »
Manish Shrivastava et al, Le couplage étroit de la biochimie et de la convection en surface et dans l’usine régit les principaux composants de particules fines dans la forêt amazonienne, ACS Chimie de la Terre et de l’Espace (2022). DOI : 10.1021/acsearthspacechem.1c00356