Bien qu’il existe plusieurs sources de particules formant de la glace dans l’atmosphère, les aérosols d’embruns marins (SSA) sont reconnus comme une source importante de particules glaciogènes (INP). Mais ce que comprennent les SSA, comment elles affectent la formation des nuages et comment elles peuvent à leur tour affecter le climat restent des questions en suspens et importantes pour les scientifiques de l’atmosphère.
Aujourd’hui, des chercheurs de l’Université de Stony Brook ont mis au point un moyen de simuler les SSA dans des réservoirs de laboratoire qui reflètent les conditions océaniques. Cela leur a permis de déterminer les composés organiques associés et libérés par les micro-organismes marins en croissance, et de découvrir des indices sur le rôle de ces composés en tant qu’INP. Ils ont également étudié que la formation de la glace est elle-même un processus complexe et peut être formée par divers mécanismes. Leurs conclusions sont détaillées dans un article publié dans Avancées scientifiques.
Les aérosols générés par les vents soufflant à la surface de l’océan et les bulles forment des pulvérisations de fines particules de sel enrobées de composés organiques qui peuvent être transportées très haut dans l’atmosphère où se forment les nuages. Ils font partie de divers autres types de particules, notamment la poussière, la suie et les cendres des incendies de forêt qui contribuent à la formation de glace dans l’atmosphère.
Les océans couvrent 70 % de la planète, avec des zones éloignées des continents où les SSA sont les principaux contributeurs aux INP et à la formation des nuages. Pour prédire la formation des nuages et évaluer leur impact climatique, les scientifiques doivent d’abord comprendre dans quelles conditions les cristaux de glace peuvent se former à partir de particules provenant de la plus grande source, l’océan.
L’auteur correspondant Daniel Knopf, professeur de chimie atmosphérique, et la co-auteure, la professeure Josephine Aller, océanographe microbienne à l’École des sciences marines et atmosphériques (SoMAS) de l’Université Stony Brook, et leur équipe de recherche ont simulé l’eau océanique et généré la formation de glace. Particules SSA. Ils les ont examinés et ont découvert que les particules de SSA étaient constituées des produits métaboliques de micro-organismes vivant près de la surface de l’océan.
Dans le laboratoire de recherche sur les aérosols SoMAS à Stony Brook, des particules de SSA ont été produites dans des réservoirs de simulation scellés pour reproduire les conditions des océans. Les particules en suspension dans l’air produites ont été utilisées pour leurs expériences de formation de nuages. Leurs expériences ont démontré que ces particules produisent des cristaux de glace par deux voies distinctement différentes dans des conditions atmosphériques typiques – la glace peut se former soit par la vapeur d’eau sur les particules de SSA, soit à partir de gouttelettes de SSA liquide.
« Nos découvertes relient sans ambiguïté les processus microbiologiques dans les eaux de surface des océans à la formation de nuages », explique Knopf. « L’étude a révélé que les polysaccharides et les protéines libérés par les micro-organismes servent d’agents de nucléation dans les particules de SSA. Par conséquent, nous avons pu identifier au niveau des espèces moléculaires la matière organique qui déclenche la nucléation de la glace. »
L’équipe, a déclaré Knopf, n’a pu réaliser cette découverte qu’en examinant en détail la composition des particules individuelles à l’aide de la technologie de microscopie à rayons X à la source de lumière synchrotron du Lawrence Berkeley National Laboratory.
« Cette étude identifie non seulement l’agent de nucléation de la glace, mais fournit également la première paramétrisation holistique pour prédire la congélation des particules de SSA », ajoute Aller. « Cette nouvelle paramétrisation inclut la congélation par immersion, car l’INP est englouti dans un liquide, généralement de l’eau, et la nucléation de la glace par dépôt où la glace se forme sur l’INP sans aucune eau visuelle. Notre nouvelle paramétrisation couvre deux scénarios de congélation et peut être appliquée dans les nuages- des modèles de résolution et de climat pour évaluer l’impact climatique des cristaux de glace contenant des nuages. »
L’Arctique polaire est une région où cette modélisation de la formation de la glace et des nuages peut être utile. Knopf et Aller affirment que le modèle peut aider à limiter les incertitudes lors de la prévision du réchauffement futur des régions polaires, une région qui se réchauffe plus rapidement que les autres régions du monde.
Dans l’ensemble, les auteurs soulignent que l’application de ces nouveaux résultats de processus de congélation, en combinaison avec des données d’autres études, a conduit à un modèle plus clair pour décrire comment le processus de formation de glace se produit et comment il peut être prédit en ne connaissant que la température, l’humidité, et la taille des particules SSA.
Cette recherche est née comme une enquête multidisciplinaire combinant l’analyse de la biochimie des organismes microbiens dans les eaux de surface des océans avec les processus de formation de nuages froids dans l’atmosphère.
Le projet a été dirigé par les équipes de recherche Aller et Knopf, qui ont impliqué le travail de trois anciens étudiants diplômés de l’Université Stony Brook : Peter Alpert, l’auteur principal, et maintenant chercheur à l’Institut Paul-Scherrer en Suisse ; Wendy Kilthau, maintenant au Plum Island Animal Disease Center, et Bingbing Wang, maintenant professeur à l’Université de Xiamen en Chine.
Plus d’information:
Peter A. Alpert et al, Agents de nucléation de la glace dans les aérosols de pulvérisation de mer identifiés et quantifiés avec un modèle de congélation multimodal holistique, Avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126/sciadv.abq6842