Dans l'histoire pour enfants populaire "Horton Hears a Who!" L'auteur, le Dr Seuss, raconte l'histoire d'un éléphant doux et protecteur qui trébuche sur un grain de poussière qui abrite une communauté de créatures microscopiques appelées Whos vivant dans la tout aussi petite ville de Whoville. Tout au long de leur cheminement ensemble, Horton plaide pour l'existence des Whos voyageant dans les airs sur un grain de poussière, tandis que les sceptiques contestent la conclusion. Finalement, par l'observation, des preuves pour les organismes émergent, mais quel que soit le résultat, ce point a modifié un monde plus grand que le sien.

Bien que ce conte soit une œuvre de fiction, Les scientifiques du climat et de l'atmosphère ont envisagé un scénario de Whoville réel :des particules biologiques et des matières inorganiques se déplaçant dans l'atmosphère et affectant le climat. Des recherches antérieures ont montré que certains aérosols sont très efficaces pour la nucléation de la glace, qui pourraient former des nuages ​​dans la troposphère. Mais en raison de la chimie atmosphérique complexe et du manque de données, les scientifiques ne sont pas sûrs du pourcentage de ces particules actives dans la glace qui sont de nature biologique et suffisamment abondantes dans la troposphère pour avoir un impact sur le climat. Par ailleurs, analyser chimiquement les Whos métaphoriques à partir de leur grain s'est avéré difficile – jusqu'à présent.

Chercheurs en sciences de l'atmosphère du Programme en atmosphères, Océans et climat (PAOC) au Département de la Terre du MIT, Les sciences atmosphériques et planétaires (EAPS) ont trouvé un moyen de différencier le matériel biologique dans l'atmosphère (bioaérosols) des particules non biologiques avec une plus grande précision que les autres méthodes, en utilisant l'apprentissage automatique. Lorsqu'il est appliqué à des échantillons et des données atmosphériques précédemment collectés, leurs résultats appuient la preuve qu'en moyenne, ces bioaérosols représentent globalement moins de 1 pour cent des particules dans la haute troposphère, où ils pourraient influencer la formation des nuages ​​et, par extension, le climat - et non autour de 25 à 50 pour cent comme le suggèrent certaines recherches antérieures.

L'oeuvre, dirigé par le professeur agrégé de chimie atmosphérique au MIT Dan Cziczo et l'étudiante diplômée Maria Zawadowicz, a été publié la semaine dernière dans la revue Chimie et physique de l'atmosphère .

Les bioaérosols dans un système climatique complexe

Bioaérosols, un sous-ensemble d'aérosols atmosphériques, sont des particules biologiques ou des liquides en suspension dans l'air à un moment donné. Ces émissions sont constituées de bactéries aéroportées entières et fragmentées, spores fongiques, Levure, virus, pollinique, et d'autres matériaux de l'environnement. Leur solide, homologues non biologiques, aérosols inorganiques, inclure des matériaux tels que des particules de poussières minérales telles que l'apatite et la monazite, et les produits de combustion industriels comme les cendres volantes.

Les scientifiques s'intéressent depuis longtemps aux bioaérosols en raison de leur potentiel à former des nuages ​​de glace cirrus, qui ont des implications majeures pour le climat—reflétant, absorbant, et transmettre la lumière du soleil ainsi que le rayonnement infrarouge thermique de la Terre. Des bactéries comme Pseudomonas syringae utilisent leurs propriétés de nucléation pour former des cristaux de glace sur les plants de tomates et les humains les ont utilisées pour créer de la neige artificielle. Alors que la modélisation atmosphérique et climatique suggère que les bioaérosols, moyenne mondiale, ne sont pas suffisamment abondants et efficaces au gel pour influencer de manière significative la formation des nuages, les résultats de la recherche ont varié considérablement.

"Il y a eu beaucoup de débats récemment - ces cinq à sept dernières années - sur la quantité de matière biologique dans l'atmosphère, " dit Cziczo. " [Les résultats de l'étude] sont partout sur la carte, mais il y a un groupe d'études qui disent que c'est quelques pour cent des aérosols atmosphériques et il y a quelques études qui disent que c'est beaucoup, 25 pour cent ou 50 pour cent. Et donc, ce sont en quelque sorte les deux camps qui existent, et vous pouvez imaginer que ceux-ci ont des effets vraiment différents sur notre système climatique, sur les précipitations, sur la chimie."

Jusqu'à maintenant, la collecte et l'identification positive des bioaérosols ont été difficiles. Les techniques de mesure spécifiques aux bioaérosols incluent la collecte sur filtre couplée à la microscopie électronique ou la microscopie optique avec coloration fluorescente. Les scientifiques ont également utilisé la fluorescence in situ avec un capteur de bioaérosol intégré à large bande (WIBS), en plus de mesurer la forme et la taille des particules. Le problème avec ceci est l'interférence - les bioaérosols ont souvent des signatures chimiques similaires à celles de la fumée, un aérosol inorganique. En outre, les chercheurs ont essayé de cultiver des échantillons pour les souches microbiennes, ainsi que d'analyser leurs données hors ligne, dans le laboratoire. Ces techniques injectent une incertitude importante dans les mesures et certaines études ont rapporté des concentrations de bioaérosols supérieures à la mesure d'aérosols totaux obtenue, ce qui est impossible.

Au cas où ce ne serait pas assez compliqué, les aérosols se modifient chimiquement et physiquement lorsqu'ils pénètrent dans la troposphère, interagir avec d'autres composés atmosphériques, et plus ils sont là avant de tomber, plus ils vieillissent et se mélangent. Finalement, tout cela varie selon les régions, saison, climat, et altitude, ce qui peut affecter les mesures, brouillant davantage la frontière entre les bioaérosols et les aérosols inorganiques, et rendre la quantification difficile.

Le groupe de recherche de Cziczo s'intéresse à l'interrelation entre les matières particulaires et la formation des nuages. Son équipe utilise des études en laboratoire et sur le terrain pour élucider comment les petites particules interagissent avec la vapeur d'eau pour former des gouttelettes et des cristaux de glace, qui sont des acteurs importants du système climatique de la Terre. Les expériences comprennent l'utilisation de petites chambres à nuages ​​en laboratoire pour imiter les conditions atmosphériques qui conduisent à la formation de nuages ​​et l'observation des nuages ​​in situ à partir de sites montagneux éloignés ou à l'aide d'avions de recherche.

Décomposition des aérosols

"L'une des choses que nous soupçonnions était que les méthodes précédentes de détermination du matériel biologique surévaluaient probablement [leur abondance] parce qu'elles recherchaient et caractérisaient d'autres choses comme étant biologiques qui ne l'étaient pas vraiment, " dit Cziczo.

Zawadowicz ajoute :« Tout dans l'atmosphère est très hautement transformé. C'est ce qui confond beaucoup de ces mesures ».

Donc, dans un effort pour maîtriser l'incertitude entourant les bioaérosols dans l'atmosphère et limiter leur influence sur les processus de formation des nuages, Cziczo et Zawadowicz, avec des collaborateurs de la National Oceanic and Atmospheric Administration, a développé une technique qui associe une technique appelée analyse de particules par spectrométrie de masse laser (PALMS) à l'apprentissage automatique. Ici, la spectrométrie de masse à particule unique est utilisée pour procéder à l'ablation et à l'ionisation des aérosols un par un, les décomposer en fragments et amas d'ions, qui sont ensuite détectés par l'instrument. Chaque aérosol ainsi analysé produit un spectre avec des caractéristiques identifiables de sa composition, comme une empreinte chimique.

Le groupe a tiré parti de la présence de phosphore dans les spectres de masse pour entraîner l'algorithme d'apprentissage automatique de classification sur des échantillons connus, puis, amorcé, l'a appliqué aux données de terrain acquises du laboratoire Storm Peak du Desert Research Institute à Steamboat Springs, Colorado, et de l'étude sur les aérosols carbonés et les effets radiatifs basée dans la ville de Cool, Californie.

"Donc, ce que Maria a fait, c'est qu'elle a attrapé toute une série de particules différentes, en se concentrant sur les biologiques, bactéries, à la fois vivant et mort, spores fongiques, pollen, Levure, à peu près tout ce que vous pouvez imaginer qui pourrait se transformer en particules atmosphériques, " dit Cziczo. "Et elle a trouvé des moyens de disperser ces matériaux et de les amener ensuite dans l'instrument afin que nous puissions voir leur composition."

Certaines particules ont été vieillies chimiquement pour imiter les interactions atmosphériques, autres, physiquement décomposés, ils étaient donc suffisamment petits pour être analysés et nébulisés.

Sachant que les principales émissions atmosphériques de phosphore proviennent des poussières minérales, produits de combustion, et des particules biologiques, ils ont exploité la présence d'ions phosphate et d'azote organique et leurs rapports caractéristiques dans des échantillons connus pour classer les particules. Dans les bioaérosols, le phosphore se trouve principalement dans les bicouches phospholipidiques et les acides nucléiques, tandis que dans les poussières minérales comme l'apatite et la monazite, on le trouve sous forme de phosphate de calcium. Mais la division n'est pas tranchée; des composés tels que la poussière du sol peuvent inclure des mélanges internes de composants biologiques et inorganiques.

Une fois analysé, d'autres pics et marqueurs spectraux ont été utilisés pour fournir des preuves supplémentaires pour la classification comme biologique ou non biologique et augmenter la confiance dans l'algorithme et ses résultats.

"Nous avons constaté que si nous faisons des rapports de certains composants dans le spectre de masse, certains amas se forment, et nous avons utilisé des techniques statistiques avancées pour démêler les grappes et voir quelles signatures sont biologiques et lesquelles ne le sont pas, " dit Zawadowicz. La nouvelle technique a permis de classer avec précision 97 pour cent des spectres, et lorsqu'il est appliqué aux spectres des données de terrain, ont constaté que moins de 1 pour cent était biologique pour la moyenne mondiale. Les inventaires des émissions de phosphore ont permis de le confirmer.

L'improbabilité d'un Whoville réel

Alors que la liste des bioaérosols testés et les ensembles de données utilisés, qui n'incluaient pas les emplacements et les moments de concentration élevée et faible de bioaérosols, n'étaient pas exhaustives, le groupe a trouvé des preuves convaincantes que, en ce qui concerne la formation des cirrus, les bioaérosols étaient un coupable improbable. Des recherches antérieures supposaient que la majeure partie du phosphore présent dans l'atmosphère était biologique, mais Cziczo souligne que cela entre en conflit avec les inventaires d'émissions de phosphore, ce qui implique que les composés inorganiques étaient souvent confondus avec les composés biologiques. Pour Cziczo, cette découverte selon laquelle les bioaérosols représentaient moins de 1 pour cent en moyenne était le pistolet fumant.

"Il ne suffit pas de dire qu'une particule est bonne pour la nucléation de la glace, il doit également avoir une abondance qui provoque la formation de nuages. Et il semble beaucoup moins certain maintenant que nous ayons suffisamment de ces produits biologiques pour créer l'effet que certaines personnes ont suggéré dans la littérature, " dit Cziczo. " Au lieu de cela, il est beaucoup plus probable qu'il y ait d'autres choses qui causent la nucléation de la glace comme les particules de poussière minérale."

Même si les recherches de Cziczo et Zawadowicz ont jeté plus d'ombre sur l'existence d'un « Whoville, " ils disent que leur travail vient de commencer.

« Alors maintenant que nous comprenons à quoi cela [la présence de bioaérosols dans l'atmosphère] ressemble, et nous avons des données de terrain pour dire à quel point il est abondant à différentes saisons à différents endroits, la question est :les modèles sont-ils corrects ?", déclare Cziczo, qui a l'intention de collaborer avec le chercheur principal de l'EAPS Chien Wang et Colette Heald professeur agrégé au département de génie civil et environnemental du MIT avec une nomination conjointe à l'EAPS, tous deux étudient et modélisent également les impacts des aérosols et du climat. dit Cziczo, "Nous allons envisager de travailler avec eux à l'avenir et voir si nous pouvons mailler toutes ces données - les données de laboratoire, les données de terrain, et les modèles ensemble."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.