Pendant quelques semaines au cours de l'été 2011, des équipes de scientifiques du monde entier ont convergé sur une petite parcelle de forêt de pins ponderosa au Colorado pour réaliser l'une des plus détaillées, étude approfondie de la chimie atmosphérique jamais tentée en un seul endroit, dans de nombreux cas en utilisant de nouveaux appareils de mesure créés spécialement pour ce projet. Maintenant, après des années d'analyse, leur synthèse complète des résultats a été publiée cette semaine.

Les équipes, qui comprenait un groupe du MIT utilisant un appareil nouvellement développé pour identifier et quantifier les composés du carbone, ont rapporté leurs résultats combinés dans un article de la revue Géosciences de la nature . Jesse Kroll, Professeur agrégé MIT de génie civil et environnemental et de génie chimique, et James Hunter, un instructeur technique du MIT au Département de science et génie des matériaux qui était doctorant dans le groupe de Kroll au moment de la recherche, étaient auteur principal et auteur principal, respectivement, des 24 contributeurs au rapport. La professeure agrégée Colette Heald du Département de génie civil et environnemental était également co-auteure.

Les composés organiques (contenant du carbone) qu'ils ont étudiés dans cette parcelle de forêt du Colorado jouent un rôle clé dans les processus chimiques atmosphériques qui peuvent affecter la qualité de l'air, la santé de l'écosystème, et le climat lui-même. Pourtant, nombre de ces processus restent mal compris dans leur complexité réelle, et ils n'avaient jamais été aussi rigoureusement échantillonnés, étudié, et quantifiés en un seul endroit auparavant.

"Le but était d'essayer de comprendre la chimie associée aux particules organiques en milieu forestier, " explique Kroll. " Les différents groupes ont pris beaucoup de mesures différentes en utilisant des instruments de pointe que nous avions chacun développés. " Ce faisant, ils ont pu combler des lacunes importantes dans l'inventaire des composés organiques dans l'atmosphère, constatant qu'environ un tiers d'entre eux se présentaient sous la forme de composés organiques semi-volatils et à volatilité intermédiaire (COSV et COIV) non mesurés auparavant.

"Nous avons longtemps soupçonné qu'il y avait des lacunes dans nos mesures de carbone dans l'atmosphère, " dit Kroll. " Il semblait y avoir plus d'aérosols que ce que nous pouvons expliquer en mesurant leurs précurseurs. "

L'équipe du MIT, ainsi que certains des autres groupes de recherche, développé des instruments qui ciblaient spécifiquement ces composés difficiles à mesurer, que Kroll décrit comme "toujours en phase gazeuse, mais collant." Leur caractère collant rend difficile leur passage à travers une entrée dans un appareil de mesure, mais ces composés peuvent jouer un rôle important dans la formation et l'altération des aérosols, de minuscules particules en suspension dans l'air qui peuvent contribuer au smog ou à la nucléation de gouttes de pluie ou de cristaux de glace, affectant le climat de la Terre.

"Certains de ces instruments ont été utilisés pour la première fois dans cette campagne, " dit Kroll. En analysant les résultats, qui a fourni des mesures sans précédent des SVOC et des IVOC, « nous avons réalisé que nous disposions de cet ensemble de données qui fournissait beaucoup plus d'informations sur les composés organiques que jamais auparavant. En rassemblant les données de tous ces instruments en un seul ensemble de données combiné, nous avons pu décrire les composés organiques de l'atmosphère d'une manière plus complète que jamais, pour comprendre ce qui se passe vraiment."

C'est un défi plus compliqué qu'il n'y paraît, soulignent les chercheurs. Un très grand nombre de composés organiques différents sont constamment émis par les arbres et autres végétaux, qui varient dans leur composition chimique, leurs propriétés physiques, et leur capacité à réagir chimiquement avec d'autres composés. Dès qu'ils pénètrent dans l'air, de nombreux composés commencent à s'oxyder, ce qui augmente de façon exponentielle leur nombre et leur diversité.

La campagne collaborative pour caractériser les quantités et les réactions de ces différents composés s'est déroulée dans une section de l'Observatoire forestier expérimental de Manitou dans les montagnes Rocheuses du Colorado. Cinq instruments différents ont été utilisés pour collecter les données sur les composés organiques, et trois d'entre eux n'avaient jamais été utilisés auparavant.

Malgré les progrès, Il reste encore beaucoup à faire, disent les chercheurs. Alors que les mesures sur le terrain ont fourni un profil détaillé des quantités de différents composés au fil du temps, il ne pouvait pas identifier les réactions et les voies spécifiques qui transformaient un ensemble de composés en un autre. Ce type d'analyse nécessite l'étude directe des réactions dans un laboratoire contrôlé, et ce genre de travail est en cours, dans le laboratoire MIT de Kroll et ailleurs.

Remplir tous ces détails permettra d'affiner la précision des modèles atmosphériques et d'aider à évaluer des éléments tels que des stratégies visant à atténuer des problèmes spécifiques de pollution atmosphérique, de l'ozone aux particules, ou pour évaluer les sources et les mécanismes d'élimination des composants atmosphériques qui affectent le climat de la Terre.