Représentation des événements de pollution où la poussière minérale et la fumée de combustion de la biomasse sont mélangées. Crédit :Hind Al-Abadleh
Il s'agit d'une nouvelle chimie qui se déroule dans une gouttelette nuageuse, un aérosol humide ou à la surface d'une particule de poussière. Tout ce qu'il faut pour commencer, ce sont des événements naturels comme les tempêtes de poussière, l'action des vagues océaniques, les éruptions volcaniques et les incendies de forêt, qui augmentent la quantité d'aérosols dans l'atmosphère.
L'effet des aérosols sur le climat peut rivaliser avec le réchauffement du CO2 mais dépend de la composition chimique. Ainsi, mesurer la taille et la "couleur" des aérosols et leur évolution dans le temps aide les scientifiques à évaluer leur effet sur le climat. Ces propriétés changent parce que les aérosols fournissent des surfaces pour l'absorption d'eau et les réactions chimiques. De plus, les aérosols influencent la formation et la durée de vie des nuages, et selon la hauteur des nuages, ils peuvent provoquer un réchauffement ou un refroidissement.
En raison de leurs diverses sources, les aérosols atmosphériques sont chimiquement complexes. Ils contiennent des sels, des composés organiques et des métaux de transition. Ce dernier provient des poussières minérales et le fer est le métal de transition le plus omniprésent dans ces particules.
Les panaches de poussière minérale dans l'atmosphère sont mélangés à la fumée de combustion de la biomasse lors du transport à longue distance à la suite d'événements de pollution. Une partie du carbone organique contenu dans la fumée de combustion de la biomasse est sujette à l'oxydation et à la complexation avec le fer. Cependant, l'efficacité et la nature des produits issus de ces réactions se déroulant dans des conditions d'aérosols et de nuages simulés restent des questions de recherche ouvertes.
Dans une publication récente dans Communications Chemistry , une collaboration internationale dirigée par Hind Al-Abadleh de l'Université Wilfrid Laurier, Marcelo Guzman de l'Université du Kentucky et Akua Asa-Awuku de l'Université du Maryland s'est concentrée sur l'étude des réactions largement inexplorées du fer avec les aminophénols. La recherche a soigneusement examiné le rôle des aminophénols dans la formation de carbone organique coloré contenant de l'azote.
Les aminophénols sont des exemples de carbone organique contenant de l'azote, une classe importante de carbone brun dont la contribution au forçage climatique et aux interactions aérosol-nuage reste une grande source d'incertitude dans les modèles climatiques en raison de leur complexité chimique et de leurs sources variables. Ces amines aromatiques ont été détectées dans la phase gazeuse et les particules ultrafines provenant des émissions industrielles et de la réduction des nitrobenzènes et des nitrophénols provenant de la combustion de la biomasse.
L'activité des noyaux de condensation des nuages des oligomères de la réaction ortho-aminophénol (oAP) + Fe (III) (cercles rouges), de la réaction para-aminophénol (pAP) + Fe (III) (carrés bleus) et du lévoglucosan (triangles verts). a La croissance du diamètre humide par rapport au diamètre sec initial des particules exposées à un environnement sous-saturé (85 % HR) à partir de la mesure H-TDMA. Le Gf moyen pour chaque matériau est également rapporté. Les lignes pointillées grises montrent les valeurs théoriques de κ-Köhler. b Le diamètre critique moyen par rapport à la sursaturation de la mesure CCNC (symboles fermés). Les lignes pointillées grises montrent les valeurs théoriques de κ-Köhler. Une diminution de la taille du diamètre critique à une sursaturation constante indique une augmentation de la CCN et de l'activité des gouttelettes. c Résumé du paramètre d'hygroscopicité de la théorie de Köhler, κ, acquis à partir des mesures CCNC (symboles fermés) et H-TDMA (symboles ouverts). Chaque point représente une moyenne de 10 points. Les barres d'erreur indiquent l'écart type. Crédit :Chimie des communications (2022). DOI :10.1038/s42004-022-00732-1
Les nouveaux résultats de cette publication montrent une formation remarquablement efficace de produits ressemblant à de la suie et solubles dans l'eau, brun foncé à noir, dans des conditions atmosphériques pertinentes.
Ces produits sont des oligomères contenant 2 à 4 cycles benzéniques avec des substituants azote et hydroxyle provenant de l'oxydation catalysée par le fer abiotique des aminophénols. Les réactions ont été explorées dans des systèmes homogènes (c'est-à-dire en phase aqueuse) et hétérogènes (c'est-à-dire une interface liquide/solide) à l'aide de poussière d'essai d'Arizona. Il a été constaté que l'hygroscopicité des produits de réaction est supérieure à celle du lévoglucosan, un indicateur important de l'aérosol organique brûlant de la biomasse. L'assombrissement progressif de la poussière d'essai en Arizona avec le temps de réaction a également été signalé, avec des changements clairs dans les propriétés optiques, la morphologie, l'état de mélange et la composition chimique.
La chimie catalysée par les métaux est une branche mal comprise des sciences de l'atmosphère malgré la présence généralisée de fer et d'autres métaux de transition dans les particules, dans les gouttelettes de nuages et de brouillard et sur les surfaces naturelles et artificielles exposées à l'air. L'étude met en évidence des voies méconnues qui conduisent aux transformations des amines aromatiques atmosphériques dans les systèmes de poussière contenant du fer.
Ces transformations affectent les efficacités de nucléation par condensation des nuages des particules d'aérosols à plusieurs composants et modifient les propriétés physico-chimiques des aérosols. Ces voies potentiellement importantes ne sont actuellement pas prises en compte dans les modèles de chimie climatique et atmosphérique, et par conséquent, nos résultats aideront à combler le vide dans notre compréhension de la chimie du fer dans les aérosols avec divers degrés de traitement atmosphérique. Les anciens panaches de fumée des feux de forêt peuvent encore affecter le climat
