Les scientifiques cartographient les changements dans les particules de suie émises par les incendies de forêt

Peu de gens voleraient volontairement à travers les panaches de fumée émis par les incendies de forêt. Mais les scientifiques de l’atmosphère du Laboratoire national de Brookhaven du Département américain de l’énergie tracent, encore et encore, des trajectoires de vol qui pourraient rendre malades les passagers aériens ordinaires. Leur objectif? Mesurez les propriétés des particules de suie émises par les incendies de forêt afin qu’ils puissent comprendre comment ces panaches affectent le climat de la Terre.

Selon les scientifiques, il est important de modéliser correctement l’impact de ces particules, car les incendies de forêt augmentent à la fois en intensité et en fréquence, en partie à cause des sécheresses provoquées par l’augmentation des températures mondiales et la modification des cycles hydrologiques.

« Nous avons besoin de mieux comprendre les particules émises par ces incendies, y compris leur évolution, afin d’améliorer nos prévisions de leurs impacts sur le climat, le changement climatique et la santé humaine », a déclaré Arthur Sedlacek, l’un des intrépides échantillonneurs de fumée.

Sedlacek et d’autres à Brookhaven et des institutions collaboratrices ont récemment publié une étude dans la revue Sciences et technologie de l’environnement cela suggère que les modèles climatiques mondiaux n’obtiennent pas une image complète.

Ces modèles basent les estimations de l’impact des incendies sur le climat sur les propriétés optiques des particules de suie échantillonnées à proximité immédiate d’un incendie. Comme le montrent les nouvelles données, cette approche ne tient pas compte des changements dans les particules de suie au fil du temps. Ces changements, selon les scientifiques, peuvent influencer considérablement la quantité de lumière solaire que les particules diffusent ou absorbent, leur interaction avec l’eau et la probabilité qu’elles forment des nuages ​​- qui sont tous importants pour la façon dont ils affectent finalement le climat de la Terre.

« Sur la base de ces résultats, nous devrions réévaluer l’utilisation des observations proches de la source et des expériences de laboratoire comme seules sources pour déterminer comment ces particules sont représentées à l’échelle régionale et mondiale », a déclaré Sedlacek.

Des panaches de fumée entrecroisés

Pour recueillir les nouvelles données sur l’évolution des particules de suie, les scientifiques ont installé des instruments sensibles conçus pour analyser les particules d’aérosols sur les avions exploités par le DOE et la NASA.

Grâce à deux campagnes aériennes sur la science atmosphérique menées dans le monde entier par ces deux agences, ils ont effectué plus de 60 vols de recherche à travers des panaches de feux de forêt, dans les deux sens à des distances croissantes des incendies. En sillonnant chaque panache à plusieurs reprises, ils ont capté de jeunes particules relativement proches des incendies, ainsi que des particules qui avaient évolué pendant des heures. D’autres vols ont échantillonné des panaches loin de leurs sources, avec des âges estimés à plus de 10 jours.

Leur principale carrière était le noir de carbone, ou suie, la principale substance absorbant la lumière émise par les incendies et l’agent particulaire dominant du réchauffement climatique.

« Le carbone noir est un excellent traceur pour étudier les panaches de feux de forêt car il est inerte, ce qui signifie non réactif chimiquement », a déclaré le scientifique de Brookhaven, Ernie Lewis, co-auteur de l’étude. « Il absorbe facilement la lumière (c’est pourquoi il est noir) et peut donc être facilement détecté par nos instruments. »

« De plus, ses seules sources d’élimination de l’atmosphère sont la gravité – qui a peu d’effet sur ces particules en raison de leur petite taille – et la pluie après ils forment des gouttes de nuages ​​», a-t-il dit.

Pour que des gouttes de nuages ​​se forment autour de la suie, le noir de carbone doit d’abord prendre une couche d’autres substances. Et c’est là que l’histoire du simple noir de carbone devient beaucoup plus complexe.

Au cours de la première heure de formation, une particule de carbone noir commence à accumuler un revêtement de matière organique. Ce revêtement provient principalement de composés organiques volatils qui ont été vaporisés par la végétation en feu, qui encapsulent ensuite les « noyaux » de carbone noir.

La plupart des modèles climatiques supposent que toutes les particules de suie ressemblent à ces noyaux de carbone noir uniformément recouverts. Mais les données recueillies pour cette étude montrent que l’épaisseur du matériau de revêtement reste relativement constante pendant seulement un à deux jours. Ensuite, le niveau de revêtement commence à diminuer lentement jusqu’à ce qu’il ne reste plus qu’environ 30 % de celui-ci au jour 10 environ du cycle de vie de la particule.

« Cette lente perte de matériau de revêtement n’est pas prise en compte dans les modèles climatiques actuels », a déclaré Sedlacek.

Les données montrent que les particules passent une plus grande partie de leur existence avec des revêtements amincissants – et plus proches du stade final d’évolution à 30 % – que toute autre partie de leur cycle de vie, qui peut durer quelques semaines.

Absorber et diffuser la lumière

Ces changements ont des impacts dramatiques sur les propriétés optiques des particules. Par exemple, lorsque l’épaisseur d’un revêtement sur une particule de noir de carbone diminue, la quantité de lumière diffusée par la particule diminue plus rapidement que la quantité de lumière absorbée. Étant donné que la diffusion de la lumière par les particules a généralement un effet net de refroidissement sur le climat de la Terre et que l’absorption de la lumière a un effet net de réchauffement, ce changement d’équilibre modifie l’effet de ces particules sur le climat.

De plus, pour les panaches à basse altitude où les nuages ​​se forment, les particules qui ont un revêtement plus épais forment plus facilement des gouttes de nuages. Cela signifie que ces particules peuvent être retirées du panache et tomber de l’atmosphère si la goutte de nuage devient une goutte de pluie. Les particules de noir de carbone restant dans le panache sont donc celles dont les revêtements sont les plus fins.

« Des revêtements plus fins rendent ces particules de panache restantes relativement plus absorbantes et moins diffusantes que le mélange de particules qui se trouvait dans le panache avant la formation des nuages », a expliqué Lewis. « Et encore une fois, plus d’absorption peut piéger plus de chaleur et réchauffer le climat de la Terre. »

Outils du métier

Le principal instrument utilisé pour caractériser les particules de carbone noir est le photomètre de suie à particules uniques (SP2). Cet instrument envoie un flux de particules une par une à travers un faisceau laser et capte des éclairs de lumière lorsque les particules se vaporisent. Il peut glaner des informations sur des milliers de particules par seconde, y compris leurs tailles et l’épaisseur de leurs revêtements. Voici comment cela fonctionne:

Si une particule fait pas contiennent du noir de carbone, il ne diffuse que la lumière du laser et la quantité de lumière diffusée peut être utilisée pour déterminer la taille de la particule.

Les particules qui contiennent du carbone noir ne sont pas aussi simples. Ils diffusent de la lumière, mais ils absorbent également la lumière (rappelez-vous, c’est ce qui rend la partie noire de carbone des particules noire). Ce faisant, ils chauffent rapidement, déclenchant une série d’événements qui se produisent en quelques millionièmes de seconde seulement.

Tout d’abord, les revêtements s’évaporent, ce qui rend les particules plus petites, ce qui entraîne moins de lumière diffusée. Ensuite, avec leurs revêtements disparus et incapables de dissiper la chaleur, les particules de carbone noir chauffent vraiment à près de 7 000 degrés Fahrenheit ! Cela les fait se vaporiser et émettre un flash de lumière. La quantité de lumière captée par le SP2 est directement liée à la quantité de carbone noir contenue dans la particule. La soustraction de cette quantité de la taille des particules déterminée par la diffusion laser initiale donne aux scientifiques l’épaisseur du revêtement.

Cette richesse de données sur les particules de carbone noir dans le panache et les autres particules peut ensuite être utilisée pour calculer comment le panache dans son ensemble interagit avec la lumière du soleil et affecte le climat. Et en effectuant des mesures de panaches à différents âges, les scientifiques peuvent mieux comprendre comment ces interactions changent au cours de la durée de vie des panaches.

Les observations faites à partir de ces campagnes sur le terrain sont également utiles en ce sens qu’elles attirent l’attention sur de nouvelles questions de recherche, telles que la façon dont les particules dans le panache de fumée forment des gouttes de nuages.

« Comprendre les interactions complexes et complexes entre les aérosols et les nuages ​​nécessite une approche à plusieurs volets où les mesures sur le terrain informent les modèles, les modèles trouvent des écarts nécessitant des expériences de laboratoire ciblées et où les résultats des études en laboratoire motivent de nouvelles campagnes sur le terrain », a déclaré Sedlacek.