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Quantifying the atmospheric implications of the solid phase and phase transitions of secondary organic aerosols

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Un composant méconnu et pourtant important des particules atmosphériques révèle ses mystères

Quantifier le flux d’aérosols organiques secondaires (AOS) est essentiel pour prédire avec précision les effets sur le climat et la pollution. Des études expérimentales et de modélisation, à la fois innovantes et complémentaires, ont permis de combler d’importantes lacunes en matière de connaissances.

Changement climatique et Environnement

Le brouillard et la fumée ainsi que des produits commerciaux comme la laque pour les cheveux et la peinture au pistolet sont des aérosols (des suspensions de particules dispersées dans un gaz, y compris dans l’atmosphère). La formation des nuages et la pollinisation résultent également des particules qui se trouvent dans l’atmosphère terrestre. Bien que les aérosols organiques primaires soient émis dans l’air depuis des sources comme la végétation et la combustion de combustibles, les AOS sont formés dans l’atmosphère via des procédés chimiques multiphasiques. Combinant des méthodes expérimentales et de modélisation innovantes, le projet QAPPA, financé par l’UE, a fait la lumière sur les processus critiques des AOS dans des conditions atmosphériques pertinentes, en ciblant les AOS d’origine biogénétique dans un état vitreux (solide amorphe ou semi-solide).

Des changements d’état de phase intéressants, mais largement non caractérisés des AOS

Les processus de séparation gaz-solide et gaz-liquide jouent des rôles critiques dans le transport et la durée de rétention des polluants organiques dans l’atmosphère, ce qui est important pour quantifier les effets des AOS sur le changement climatique et la pollution atmosphérique. Toutefois, jusqu’à présent, le changement de phase des AOS était peu caractérisé tout comme l’effet de la phase vitreuse sur différents processus atmosphériques. L’une des raisons du manque de données est précisément la difficulté de l’obtenir et de l’intégrer. Selon Annele Virtanen, coordinatrice du projet, «les mesures prises sur le terrain dans différents environnements et dans différentes conditions ont remis en question notre méthodologie. En plus d’apporter des améliorations techniques, nous devions également développer de nouvelles approches d’analyse des données pour élucider la dépendance multidimensionnelle de différents facteurs.»

Révéler des dépendances jusqu’alors inconnues

S’appuyant sur de précédents travaux de modélisation et d’expérimentation innovants, publiés dans la prestigieuse revue scientifique à comité de lecture «Nature», l’équipe a surmonté les obstacles et repoussé les limites de ce qu’il était possible d’extraire des données mesurées. Comme Mme Virtanen l’explique, «QAPPA a pu élucider et quantifier les effets des AOS en phase solide amorphe ou semi-solide dans des conditions atmosphériques pertinentes. Nous avons observé que la phase vitreuse est l’état fréquent des AOS atmosphériques lorsque le taux d’humidité est peu élevé. Lorsque l’humidité atteint des valeurs atmosphériques, qui dans de nombreux environnements peuvent être relativement élevées, les particules se liquéfient et le rôle des limitations diffusionnelles de la phase particulaire dans les procédés clés diminue.» Les résultats montrent que, à des températures supérieures à 0 °C, la séparation des vapeurs organiques est dominée par la pression de ces vapeurs, ce qui représente une source clé d’incertitude dans les modèles. En outre, à ces températures, l’absorption d’eau par les aérosols organiques n’est que faiblement affectée par la phase vitreuse. Au contraire, les expériences actuelles de l’équipe démontrent que, à des températures négatives, l’absorption d’eau et probablement aussi la nucléation des aérosols organiques peuvent être affectées par l’état vitreux et les limitations diffusionnelles de la phase particulaire. Les particules agissant comme des sites de nucléation pour la formation de gouttelettes nuageuses et de particules de glace affectent les précipitations et les propriétés réfléchissantes des nuages. Mme Virtanen envisage de centrer ses futurs efforts sur les faibles températures et le rôle des AOS vitreux dans la nucléation de la glace. Entre-temps, Mme Virtanen ajoute: «Bien que la phase physique des AOS ne joue pas de rôle majeur dans de nombreux processus de l’environnement naturel, dans des conditions typiques, elle pourrait avoir un rôle important dans les mesures en laboratoire. Il serait judicieux de s’en souvenir en interprétant les résultats de laboratoire et particulièrement en les utilisant pour développer et améliorer les paramétrages des modèles.»

Mots‑clés

QAPPA, aérosols organiques secondaires (AOS), phase, vitreux, atmosphérique, particule, aérosol, température, état, atmosphère, nucléation, glace, séparation, gaz, solide amorphe, modélisation

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