Alors qu'il regardait l'Amazone d'en haut, les feuilles brillantes formaient des vagues de feuillage. Le vent les a parcourus, créant des remous et des bassins de verdure. De ce point de vue, certaines personnes ont peut-être juste vu des arbres. Mais de son haut perchoir, Kolby Jardine, chercheur au Lawrence Berkeley National Laboratory du Department of Energy (DOE), vu plus—le cycle écologique complexe de la forêt. En partant des émissions émises par les feuilles jusqu'aux nuages ​​au-dessus, chaque composant influence tous les autres.

Jardine faisait partie du projet "Green Ocean Amazon" ou GoAmazon du DOE Office of Science, qui visait à mieux comprendre le cycle de l'eau du bassin amazonien. En prenant des données sur un balancement, plate-forme étroite plus haute qu'un immeuble de 10 étages, Jardine espérait scruter une partie de ce système :comment les feuilles tropicales produisent des émissions.

"Vous sentez vraiment ce que c'est que d'être une feuille dans la canopée supérieure, " il a dit.

L'Amazonie est la forêt tropicale humide la plus vaste et la plus diversifiée du monde, s'étendant sur neuf pays. Alors que les émissions d'origine humaine polluent l'air pendant la saison sèche, l'air au-dessus de l'Amazone pendant la saison des pluies est l'un des endroits les plus propres de la planète.

Ce contraste en fait l'endroit idéal pour Jardine et d'autres chercheurs pour étudier comment les arbres émettent des émissions et quels effets ces émissions ont sur le climat.

Les arbres et autres plantes produisent des centaines à des milliers de composés organiques volatils (COV). Ces produits chimiques à base de carbone s'évaporent facilement d'un liquide ou d'un solide dans l'air à des températures beaucoup plus basses que la plupart des produits chimiques. Par exemple, votre nez détecte les COV lorsque vous sentez l'odeur des pins. D'autres COV sont d'origine humaine, tels que ceux qui produisent "l'odeur de voiture neuve". Alors que les COV d'origine humaine dominent dans les zones urbaines, Les COV produits par les arbres jouent un rôle majeur en Amazonie.

Quelques minutes à quelques heures après que les arbres les relâchent, Les COV réagissent avec l'ozone et d'autres produits chimiques dans l'atmosphère. Ils se regroupent pour devenir des composés plus gros ou réagir avec les émissions d'origine humaine des véhicules diesel ou des centrales électriques à combustible fossile. Dans les deux cas, ils forment des aérosols organiques secondaires (AOS), particules solides ou liquides en suspension dans le gaz.

De la formation de smog à l'influence sur la formation des nuages, Les SOA sont à l'origine d'un certain nombre de processus atmosphériques et climatiques. Les interactions entre les aérosols, COV, et d'autres émissions biologiques créent l'une des plus grandes incertitudes dans les modèles climatiques. Le Bureau des sciences du ministère de l'Énergie soutient la recherche sur les COV des arbres et les SOA qu'ils forment.

Le grand impact des minuscules particules

Pour les composés qui durent souvent moins de deux heures avant de réagir avec autre chose, Les COV ont un impact important. C'est particulièrement vrai sous les tropiques, où 30 à 50 pour cent des arbres émettent des COV. Via les SOA en lesquels ils se transforment, Les COV affectent le temps et le climat de deux manières principales.

D'abord, Les SOA constituent une grande partie des minuscules particules dans l'atmosphère. Ils influencent la quantité de lumière solaire que l'atmosphère absorbe ou diffuse, et donc la quantité de lumière et de chaleur qui atteint la surface de la Terre.

Seconde, la vapeur d'eau se condense sur les SOA. Parfois, la particule recueille suffisamment d'eau pour devenir une gouttelette de nuage. S'il continue de grandir, il peut devenir une goutte de pluie qui tombe sur terre. Le projet GoAmazon a relevé le défi de la collecte de données sur les COV, SOA, et leurs effets sur la météo. L'équipe GoAmazon a recueilli des données de janvier 2014 à décembre 2015 à l'aide de l'installation de recherche climatique de mesure du rayonnement atmosphérique (ARM), une installation utilisateur du Bureau des sciences.

Que se passe-t-il lorsqu'un arbre respire ?

Pour cartographier le rôle des COV biologiques dans la forêt tropicale, les scientifiques doivent comprendre comment et pourquoi les arbres les produisent. C'est plus facile à dire qu'à faire.

Le nombre de facteurs qui déterminent la production de COV est stupéfiant. La saison, espèces d'arbres, âge des feuilles, concentration de dioxyde de carbone dans l'air autour de l'arbre, léger, et la température ne sont que quelques-uns. En outre, les plantes ne libèrent pas seulement des COV; certains absorbent même certains COV.

Un autre défi consiste simplement à prendre des données dans et au-dessus de la canopée forestière. L'un des principaux moyens utilisés par les chercheurs pour échantillonner l'air est de faire voler des avions personnalisés remplis d'instruments complexes juste au-dessus de la canopée.

Contrairement aux modèles, « les mesures effectuées par avion fournissent [des données sur] l'atmosphère réelle, " a déclaré Jian Wang, un scientifique du laboratoire national de Brookhaven du DOE.

Pour comprendre les niveaux d'isoprène (un COV majeur) juste au-dessus de la canopée, l'équipe GoAmazon a effectué huit vols de recherche différents pendant les saisons humides et sèches. Leurs données ont montré que les taux d'émission d'isoprène étaient trois fois plus élevés que ce que les données satellitaires avaient révélé et 35% plus élevés que les modèles prédits. En particulier, ils ont constaté que ni les modèles ni les satellites ne prenaient en compte les différentes altitudes ou la variété des espèces végétales en Amazonie.

"Nous devons savoir qui sont les joueurs et quelles sont leurs sources, " dit Jardine.

Jardine et son équipe avaient une approche complémentaire :ils se sont perchés pendant des jours au sommet d'une tour étroite émergeant de la jungle. Après une randonnée à travers la forêt avant le lever du soleil, ils ont échantillonné les gaz à différents niveaux de la tour toutes les 10 minutes. Ils ont ensuite analysé le contenu à l'aide d'un instrument spécialisé qui utilise les masses de produits chimiques pour les identifier.

Suivi des différences, ils ont découvert que les arbres produisaient beaucoup plus d'isoprène pendant la journée que la nuit et pendant la saison sèche que pendant la saison humide. Plus il y a de soleil et plus les températures sont élevées, plus les plantes isoprènes émises. L'équipe a également constaté que plus les feuilles étaient stressées, plus ils produisaient d'isoprène.

Les deux études ont illustré la complexité des influences sur la production de COV des arbres. La prise en compte de ces influences est essentielle pour améliorer les données qui entrent dans les modèles climatiques.

L'étude de la tour a également révélé que dans des circonstances particulièrement stressantes, Les COV pourraient réagir avec l'oxygène à l'intérieur des plantes elles-mêmes. Des études antérieures auxquelles Jardine a participé avec des aiguilles de pin à encens et des feuilles de manguier montrent que ce phénomène s'étend au-delà de l'Amazonie. Le fait que les usines puissent produire elles-mêmes des produits secondaires est un autre facteur que les modèles doivent inclure. En outre, il souligne l'importance potentielle des COV dans les usines elles-mêmes. Ils peuvent en fait aider les plantes à faire face aux facteurs de stress environnementaux.

Ce qu'il faut pour devenir un aérosol organique secondaire

Une fois que les arbres libèrent des émissions dans l'air, encore plus d'interactions émergent. Quels COV forment quels SOA dépend du niveau des COV, les gaz avec lesquels les COV réagissent, et combien ceux-ci se mélangent. Les COV peuvent souvent réagir avec l'oxygène et d'autres produits chimiques plusieurs fois lorsqu'ils se déplacent dans l'atmosphère, produisant à chaque fois des produits différents. « Il est important de savoir ce qu'il adviendra des COV et des SOA lorsqu'ils seront transportés [loin] des sources, " a déclaré Alla Zelenyuk-Imre, chercheur au Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) du DOE. Ces transformations affectent à la fois les caractéristiques des SOA et leur influence sur la formation des nuages.

Pour étudier ces réactions, les scientifiques utilisent à la fois des études sur le terrain et en laboratoire. Etudes de terrain, comme GoAmazon, offrir des données du monde réel. Mais les scientifiques ne peuvent souvent pas analyser complètement ces réactions chimiques sur le terrain.

"Les études fondamentales en laboratoire peuvent aider à comprendre et à interpréter les données d'observation plus complexes, " dit Nga Lee " Sally " Ng, chercheur à Georgia Tech. « Le laboratoire et les études sur le terrain se complètent vraiment. »

Une étude menée en 2015 par Ng a élargi la compréhension des scientifiques du rôle de l'isoprène dans la formation de SOA. Précédemment, la plupart des scientifiques pensaient que les niveaux d'oxydes d'azote, souvent produits par les voitures, camions, et les centrales électriques utilisant des combustibles fossiles—niveaux déterminés de SOA. Son étude a révélé que l'isoprène et les produits chimiques qui en résultent étaient encore plus importants que les seuls niveaux d'oxyde d'azote. Ce sont les interactions complexes entre les COV (y compris l'isoprène) et les oxydes d'azote qui ont eu le plus grand effet sur les caractéristiques de la SOA.

Depuis, d'autres études de laboratoire ont examiné comment les COV interagissent avec une variété de polluants provenant de la combustion de combustibles fossiles, y compris le sulfate et l'ammoniac produits par l'agriculture. Dans les deux études, les émissions d'origine humaine recouvraient les COV biologiques. Cela a fondamentalement changé à la fois la façon dont les COV sont devenus des SOA et les caractéristiques des SOA elles-mêmes.

Avec ces informations du laboratoire, le projet GoAmazon a examiné comment ces interactions se sont déroulées dans le monde réel. En particulier, l'équipe de recherche a approfondi la relation entre les émissions des plantes et la pollution d'origine humaine.

Pour aller là où étaient les données, ils ont fait voler un avion à travers une colonne flottante de pollution de la ville de Manaus, qui est au fond de l'Amazonie. Les scientifiques ont découvert que les COV réagissaient avec l'oxygène plusieurs fois plus rapidement et plus intensément à l'intérieur de la zone polluée qu'à l'extérieur. En outre, la pollution a fondamentalement changé le processus de transformation des COV en SOA. Les chercheurs ont mesuré un certain nombre de composés chimiques à l'intérieur du panache qui étaient absents à l'extérieur.

Par terre, les scientifiques ont échantillonné l'air dans une grande clairière entourée de forêt tropicale. En exposant l'air ambiant à des concentrations élevées de gaz qui réagissent avec les COV dans un conteneur, ils ont simulé les résultats de jours ou de mois de production de SOA. Ils ont découvert qu'il y avait quatre à cinq fois plus de SOA pendant la saison sèche que pendant la saison humide. Étonnamment, ils ont également constaté qu'il y avait beaucoup plus de SOA que les COV seuls pouvaient produire. Ce résultat suggère que les COV ne sont pas les seuls gaz à jouer un rôle majeur dans la formation de SOA – encore une autre lacune dans notre compréhension.

Dans l'air

Les choses décollent vraiment lorsque les SOA dérivent dans l'atmosphère.

"Les aérosols agissent comme une graine pour former des nuages, " dit Ng. Si suffisamment de vapeur d'eau se condense sur eux, ils peuvent éventuellement devenir des gouttes de pluie.

Mais beaucoup de choses doivent se passer avant qu'il ne pleuve. la taille des SOA, de quoi ils sont faits, comment ils bougent, et combien de temps ils ont été dans l'air tous déterminent dans quelle mesure ils absorbent ou libèrent de l'eau.

L'une des études de GoAmazon a examiné comment les particules à base de carbone (principalement naturelles) et les particules non carbonées (principalement d'origine humaine) absorbaient et libéraient l'eau différemment. Des études de laboratoire antérieures ont suggéré que la façon dont les particules collectent la vapeur d'eau dépend principalement des concentrations de polluants interagissant avec les SOA. Mais dans le monde réel, cela dépendait beaucoup plus des concentrations de SOA et d'autres aérosols eux-mêmes.

Une autre étude de GoAmazon a fourni des résultats qui contredisaient les perceptions courantes. Les scientifiques ne pensaient pas que les plus petits aérosols pouvaient affecter la formation des nuages. Ils n'étaient tout simplement pas assez grands. Mais l'étude a révélé que ces minuscules particules peuvent en fait rendre les tempêtes en Amazonie plus intenses, nuages ​​plus gros, et de la pluie plus susceptible de tomber.

"Cette étude ouvre une nouvelle porte pour comprendre comment les aérosols affectent les nuages ​​et le temps dans ces régions chaudes et humides, " a déclaré Jiwen Fan, un autre scientifique du PNNL.

Bien que l'étude n'ait pas déterminé si ces minuscules aérosols se sont développés à partir de COV, une étude de suivi examine cette question. L'élargissement des connaissances des scientifiques sur les effets des SOA sur la formation des nuages ​​aide les scientifiques à retracer l'évolution des systèmes météorologiques et climatiques au fil du temps.

Les relations écologiques entrelacées de l'Amazonie, allant des arbres aux nuages, continue de surprendre les scientifiques.

Comme l'a dit Jardine, « Regarder les interfaces de ces systèmes est très difficile, mais c'est aussi là que se trouvent la plupart des opportunités."