Des composés organiques volatils peuvent être trouvés dans l'air, partout. Un large éventail de sources, y compris à partir de plantes, combustibles de cuisson et nettoyants ménagers, émettent ces composés directement. Ils peuvent également se former dans l'atmosphère grâce à un réseau complexe de réactions photochimiques.

Des chercheurs des laboratoires nationaux Sandia et des collègues d'autres institutions ont étudié les réactions des radicaux hydroxyle et méthylperoxy pour comprendre leur impact sur la capacité de l'atmosphère à traiter les polluants.

Ce travail, qui a été publié dans Communication Nature , ont montré que les réactions peuvent avoir un impact sur les niveaux d'un marqueur chimique clé utilisé pour évaluer la compréhension du traitement et de l'abondance des polluants. Cela nous aide finalement à comprendre comment la nature et l'activité humaine affectent la composition chimique de l'atmosphère.

Des études récentes dans ce domaine ont indiqué que la réaction du méthylperoxy avec le radical hydroxyle se produit plus rapidement qu'on ne le pensait auparavant, et donc cette réaction pourrait changer la compréhension actuelle de la chimie à la fois dans la combustion à basse température et dans l'atmosphère terrestre.

Le radical hydroxyle, une molécule importante dans la combustion et la chimie atmosphérique, initie l'oxydation, ou de traitement, de carburant et de molécules polluantes. Lorsque ce radical réagit avec les molécules de carburant en présence d'oxygène, une nouvelle classe de radicaux - appelés radicaux peroxy - est formée. Dans l'atmosphère terrestre, lorsque le radical hydroxyle réagit avec le méthane (qui est à la fois un gaz à effet de serre et l'hydrocarbure le plus abondant), méthylperoxy est créé.

Impacts sur la combustion

Rébecca Caravane, un postdoctorant Sandia et chercheur principal du nouvel effort collaboratif, a déclaré que l'étude des réactions ultérieures des radicaux peroxy est essentielle pour comprendre la combustion à basse température, car le sort du radical peroxy détermine dans quelle mesure le carburant subira l'auto-allumage. Les chercheurs voulaient comprendre comment la réaction des radicaux hydroxyle et méthylperoxy pourrait avoir un impact sur cela, par exemple, si l'auto-inflammation pourrait être inhibée en raison de l'élimination des radicaux réactifs et de la production de produits chimiques relativement peu réactifs.

« Déterminer l'impact d'une réaction spécifique dans un environnement donné nécessite de connaître à la fois la vitesse à laquelle la réaction se produit et les produits de la réaction, " dit-elle. " Quantifier soigneusement les produits est souvent la tâche la plus difficile. Un changement relativement faible dans ces réactions peut modifier de manière significative l'ampleur et même la direction de l'impact d'une réaction dans un environnement donné."

Des travaux théoriques récents ont indiqué qu'un produit possible du radical hydroxyle et de la réaction méthylperoxy pourrait être le méthanol et l'oxygène. Ces produits auraient un effet significatif sur notre compréhension de la chimie dans la troposphère terrestre, la partie de l'atmosphère comprise entre zéro et 10 kilomètres (6 miles), qui contient environ 75 pour cent de la masse de l'atmosphère.

Caravan a déclaré que le méthanol a longtemps été considérablement sous-estimé dans la troposphère par les modélisateurs atmosphériques. Parce que le méthanol peut être formé à partir de multiples séquences de réactions d'oxydation dans la troposphère, comprendre comment les réactions chimiques contribuent aux niveaux de méthanol dans l'atmosphère permet de mieux comprendre comment l'atmosphère traite les hydrocarbures émis à la fois par la nature et l'activité humaine, nous aidant ainsi à comprendre l'influence des deux sur la composition chimique de l'atmosphère.

Craig Taatjes, chimiste de la combustion de Sandia, le chercheur principal de cet effort de recherche, mentionné, "Nous avons reconnu que nos mesures fondamentales du rendement en méthanol du radical hydroxyle et de la réaction méthylperoxy pourraient avoir un impact sur l'abondance de méthanol atmosphérique modélisée, nous avons donc fait venir des collègues modélisateurs qui pourraient se concentrer sur les conséquences de nos enquêtes. »

Collaboration internationale

L'écart entre le méthanol modélisé et mesuré est particulièrement important dans la troposphère éloignée, des régions où l'influence de l'activité humaine est relativement limitée.

Dwayne Heard, professeur de chimie atmosphérique à l'Université de Leeds au Royaume-Uni, a déclaré qu'une compréhension de ces régions est nécessaire avant que les changements humains puissent être compris.

"Nous savons que l'évolution des émissions anthropiques entraîne un réchauffement de l'atmosphère et une détérioration de la qualité de l'air que nous respirons, " Heard dit. " Cependant, contre cela sont naturels, processus dominants qui se produisent partout - par exemple, sur les océans où il y a relativement peu d'influence de l'homme."

Les études de chimie radical-radicalaire sont compliquées; les multiples réactions secondaires doivent être comprises avec la réaction d'intérêt. Pour y remédier, des chercheurs de Sandia et du Jet Propulsion Laboratory de la NASA ont utilisé les capacités de renommée mondiale de l'installation de recherche sur la combustion de Sandia et de la source lumineuse avancée du Lawrence Berkeley National Laboratory.

Les chercheurs se sont appuyés sur les instruments du spectromètre de masse à photoionisation multiplexé Sandia développés par les chercheurs de Sandia David Osborn et Lenny Sheps. L'équipe a également utilisé le rayonnement ionisant ultraviolet sous vide réglable de la ligne de lumière Chemical Dynamics à la source lumineuse avancée pour observer et caractériser la chimie et les produits de réaction.

Les chercheurs ont ensuite travaillé à interpréter leurs observations expérimentales via des modèles et des calculs. Ils ont examiné le rôle de la chimie à plus long terme sur les produits de réaction en collaborant avec des partenaires de l'Université de Lille en France, qui ont utilisé leur chambre de simulation atmosphérique. D'autres membres de l'équipe de l'Université de Bristol au Royaume-Uni ont utilisé un modèle chimique global pour évaluer les résultats expérimentaux sur la troposphère.

"C'était une collaboration très collaborative, projet international avec chaque partie apportant ses propres capacités de classe mondiale, " dit Caravane.

L'équipe Sandia a été financée par le Bureau des sciences de l'énergie de base du ministère de l'Énergie. Les co-auteurs de l'article ont été soutenus par la NASA et des agences britanniques et françaises.

Impact sur l'atmosphère

Grâce à cet effort de collaboration, il est maintenant entendu que dans la troposphère, environ 25 pour cent des radicaux méthylperoxy sont éliminés par la réaction rapide avec le radical hydroxyle, ce qui signifie que moins de radicaux peroxy subissent d'autres réactions connues pour conduire au méthanol. Pour contrebalancer cela, le rendement en méthanol de la réaction des radicaux hydroxyles avec le méthylperoxy devrait être d'environ 15 %, mais la mesure des auteurs donne des rendements compris entre 6 et 9 %.

Les implications de ce résultat sur la compréhension du méthanol troposphérique sont importantes. La réaction du radical hydroxyle et du méthylperoxy ne parvient pas à résoudre l'écart entre les abondances de méthanol mesurées plus élevées et celles modélisées plus faibles; En réalité, cet écart est maintenant exacerbé. Le méthanol dans les régions éloignées est maintenant sous-estimé d'environ un facteur 1,5 dans les modèles globaux de l'atmosphère.

"Ce travail met en évidence notre compréhension incomplète de la réactivité chimique troposphérique clé. Il nous manque des réactions importantes, ouvrant la porte à une enquête plus approfondie, " dit Caravane.

Alexandre Archibald, un professeur de l'Université de Cambridge et un expert dans le domaine, dit que les expériences menées par Caravan démontrent que le méthanol a des secrets supplémentaires à révéler.

"Bien que la réaction entre les radicaux méthylperoxy et les radicaux hydroxyle ne soit pas une source majeure de méthanol, les modèles sous-estiment encore la quantité de méthanol, " a déclaré Archibald. " Le travail passionnant que Caravan et ses collègues ont effectué ferme un chapitre de l'histoire, mais le livre reste inachevé. Des travaux supplémentaires sont nécessaires pour nous aider à compléter notre compréhension de ce composé important dans l'atmosphère. »