De nouvelles recherches affinant la quantité de lumière solaire absorbée par le noir de carbone dans la fumée des incendies de forêt aideront à éliminer un point faible de longue date dans les modèles du système terrestre, permettant une prévision plus précise du changement climatique mondial.
« Le carbone noir ou la suie est le prochain agent de réchauffement climatique le plus puissant après le CO2 et le méthane, malgré une courte durée de vie de quelques semaines, mais son impact dans les modèles climatiques est encore très incertain », a déclaré James Lee, chercheur sur le climat au Laboratoire national de Los Alamos. et auteur correspondant de la nouvelle étude en Lettres de recherche géophysique sur l’absorption de la lumière par la fumée des feux de forêt. « Notre recherche dissipera cette incertitude. »
La recherche de Los Alamos résout une déconnexion de longue date entre les observations de la quantité de lumière absorbée par le carbone noir dans la fumée et la quantité prédite par les modèles, compte tenu de la façon dont le carbone noir est mélangé à d’autres matériaux tels que les aérosols organiques condensés présents dans les panaches. .
L’équipe a utilisé le laboratoire multi-instruments Center for Aerosol-gas Forensic Experiments (CAFÉ) à Los Alamos pour échantillonner la fumée de plusieurs incendies de forêt sur deux étés dans l’ouest des États-Unis, y compris le Medio Fire à proximité au Nouveau-Mexique en 2020 et des panaches âgés de Californie et Arizona.
L’équipe CAFÉ collabore actuellement avec des collègues du Pacific Northwest National Laboratory pour intégrer leurs paramétrisations validées dans le modèle de système terrestre exascale énergétique du ministère de l’Énergie, ou E3SM. Cela permettra de mieux évaluer le forçage climatique et les rétroactions des feux de forêt.
Le carbone noir émis par les véhicules, les centrales électriques, le chauffage résidentiel et les incendies de forêt est un puissant absorbeur de rayonnement solaire, convertissant la lumière entrante en chauffage atmosphérique.
« Les feux de forêt émettent de la suie et des particules organiques qui absorbent et dispersent respectivement la lumière du soleil pour réchauffer ou refroidir l’atmosphère avec un effet net variable, selon la composition du mélange de fumée », a déclaré Manvendra Dubey, directeur du CAFÉ et chercheur principal du projet à Los Alamos. « Ce mélange évolue avec le temps à mesure que la fumée des grands mégafeux se disperse dans le monde. Nous avons découvert une relation systématique entre l’augmentation de l’efficacité d’absorption de la lumière de la suie avec l’âge en raison de la croissance des revêtements organiques. »
La découverte capture avec précision les tailles et la structure complexes de la suie qui sont actuellement approximées dans les modèles, a déclaré Dubey.
« Nous faisons pression pour l’intégrer dans les modèles climatiques afin de fournir des estimations solides du réchauffement par la suie des feux de forêt, en particulier dans l’Arctique, qui se réchauffe quatre fois plus vite que le globe », a déclaré Dubey.
« Alors que l’on pense généralement que le noir de carbone provoque le réchauffement », a déclaré Lee, « son impact sur le climat n’est pas bien connu en raison de la façon dont il coexiste avec d’autres types de particules dans l’atmosphère ».
Cette incertitude découle en partie d’un manque de compréhension de la façon dont les propriétés de réflexion et d’absorption de la lumière du carbone noir évoluent à mesure qu’il vieillit et subit une chimie compliquée dans les conditions atmosphériques en évolution rapide à mesure que la fumée des feux de forêt se disperse. Le panache peut persister pendant des mois dans la haute atmosphère.
Au cours de cette évolution, des aérosols organiques se forment et se condensent autour des particules de carbone noir. Certains de ces aérosols concentrent la lumière sur le carbone noir, augmentant son absorption, mais la quantité de lumière absorbée dépend de la taille des aérosols et de la manière dont ils recouvrent la suie.
Les modèles climatiques idéalisent actuellement cet état de mélange de la fumée, a déclaré Dubey. Étant donné que les modèles ne tiennent pas compte de la variation des revêtements organiques en fonction de la taille de chaque particule, les modèles surestiment la quantité de rayonnement absorbée par le carbone noir. Cela entraîne de grandes incertitudes et des biais dans les effets climatiques des incendies de forêt.
La modélisation à une seule particule produit de meilleurs résultats mais est trop coûteuse en calcul pour être intégrée dans des modèles de système terrestre tels que E3SM. C’est pourquoi les chercheurs de Los Alamos ont cherché à créer des paramètres pour le carbone noir qui pourraient être incorporés dans les modèles du système terrestre sans encourir le coût de calcul prohibitif de la modélisation d’un grand nombre de particules.
L’équipe de Los Alamos a analysé 60 millions de particules de fumée recueillies dans la tour d’échantillonnage de 10 mètres de haut de CAFÉ. Cette méthode d’observation leur a permis de tenir compte des variations de la quantité de revêtement organique sur chaque particule – la pièce manquante des modèles précédents. Avec les données empiriques recueillies par CAFÉ, l’équipe a utilisé des modèles d’absorption existants pour déterminer la quantité d’énergie lumineuse absorbée par chaque particule, puis déduire l’absorption totale de carbone noir des panaches. Leurs résultats correspondaient à des mesures indépendantes des propriétés de la fumée effectuées en parallèle, tandis que la modélisation basée sur les particules de carbone noir idéalisées n’a pas réussi à correspondre aux observations. Les résultats de Los Alamos peuvent être mis à l’échelle pour représenter les panaches atmosphériques dans les modèles climatiques mondiaux
L’équipe a découvert qu’elle pouvait prédire l’amplification de l’absorption du noir de carbone à partir du rapport du matériau de revêtement au volume de noir de carbone dans le panache. Ce rapport simple peut être incorporé dans des modèles de systèmes terrestres complexes pour déterminer l’impact climatique du carbone noir.
James E. Lee et al, Wildfire Smoke démontre des améliorations significatives et prévisibles de l’absorption de la lumière par le carbone noir, Lettres de recherche géophysique (2022). DOI : 10.1029/2022GL099334