Jon Thompson cherche à découvrir comment la composition et la morphologie des particules affectent leur capacité à absorber ou réfléchir la lumière, ainsi le réchauffement ou le refroidissement du climat.

L'accent mis sur les causes sous-jacentes du changement climatique est principalement centré sur le dioxyde de carbone (CO2), qui peut vivre dans l'atmosphère pendant plus de 100 ans. Réduire la quantité de dioxyde de carbone a été l'objectif de beaucoup de ceux qui travaillent pour réduire le changement climatique.

Mais le dioxyde de carbone n'est pas le seul facteur qui a conduit à un changement climatique. Particules, plus communément appelés aérosols atmosphériques, existent dans l'atmosphère à des concentrations de plusieurs milliers par centimètre cube d'air et peuvent réchauffer ou refroidir l'atmosphère. Les aérosols qui absorbent fortement la lumière du soleil vont réchauffer l'atmosphère, tandis que ceux qui renvoient la lumière du soleil dans l'espace refroidiront la terre. Le rapport spécifique de la lumière réfléchie à la lumière absorbée est crucial pour déterminer l'effet net. Ce rapport est décrit par l'albédo des aérosols.

Mais quels sont les facteurs qui déterminent la quantité exacte de lumière absorbée ou réfléchie par l'aérosol ? C'est la question que le chercheur de la Texas Tech University, Jon Thompson, tente de résoudre depuis ses années de doctorat.

"A l'époque, on savait que les aérosols avaient probablement un impact sur le climat, mais les chercheurs voulaient de meilleures contraintes quantitatives sur ces effets, " dit Thompson, professeur agrégé au Département de chimie et biochimie. "La question scientifique primordiale est, quel est l'impact climatique des aérosols atmosphériques ? La présence d'aérosols augmente-t-elle ou diminue-t-elle la réflexion de la planète, et quel est l'effet net sur la température ?"

Pour faire ça, les chercheurs ont examiné non seulement les différents types d'aérosols qui existent dans l'atmosphère mais aussi leur combinaison avec d'autres produits chimiques, en particulier le noir de carbone, et comment cela affecte la réflectivité.

Qu'est-ce qu'un aérosol ?

Mentionnez l'aérosol à la personne moyenne et elle aura des visions de laque pour les cheveux ou d'autres émissions ménagères d'un bidon pressurisé dispersées dans un brouillard. Mais ce n'est pas le type d'aérosol que Thompson et ses collègues chercheurs ont examiné au fil des ans.

"En fait, je comprends beaucoup et c'est l'une des idées fausses, les gens pensent souvent que je fais des recherches sur les déodorants ou quelque chose comme ça, ", a déclaré Thompson.

Un aérosol est défini comme un mélange de fines particules solides ou de gouttelettes liquides dans l'air ou un autre gaz. Il existe plusieurs sources d'aérosols qui existent dans l'atmosphère, mais ils se répartissent essentiellement en deux catégories - naturelles ou artificielles, également connu sous le nom d'anthropique.

Une source naturelle d'aérosols la plus courante dans l'ouest du Texas est la poussière soufflée par le vent, qui se produit dans les zones avec des vents forts et une faible humidité. Mais la poussière soufflée par le vent peut voyager à plusieurs milliers de kilomètres de sa source. Il n'est pas rare de trouver des particules de sable du désert provenant du désert du Sahara en Floride ou même dans l'Est du Texas. Une autre source naturelle d'aérosol est l'aérosol de sel marin, qui est le jet créé par les vagues déferlantes dans l'océan. Une troisième source d'aérosols naturels résulte des éruptions volcaniques qui libèrent du dioxyde de soufre (SO2) qui peut réagir dans l'atmosphère pour créer des aérosols sulfatés.

L'aérosol de sulfate est un aérosol secondaire, qui sont des aérosols formés à partir d'une réaction chimique dans l'atmosphère plutôt que d'être directement émis. Mais de nombreux aérosols secondaires ont des sources anthropiques, comme la combustion de charbon ou de combustibles contenant du soufre, l'ammoniac produit par l'agriculture, ou des combustibles fossiles non brûlés.

« Une fois que les gaz précurseurs commencent à réagir, ils ont tendance à incorporer des atomes d'oxygène dans les produits de réaction, et qui rend les matériaux résultants moins volatils, " a déclaré Thompson. " En conséquence, les produits de réaction commencent à se condenser sur d'autres particules augmentant ainsi la masse de l'aérosol secondaire. C'est le processus que nous voyons dans de nombreux grands centres de population, comme Los Angeles et Pékin, Chine." "Le dépôt de matière supplémentaire peut considérablement altérer les propriétés optiques des particules, Il est donc crucial d'étudier le processus et les changements qui en résultent pour comprendre l'effet climatique des aérosols. »

Mesure des propriétés optiques des aérosols

Thompson a commencé à examiner la question de l'optique des aérosols dans le cadre d'un groupe qui a adapté la méthode Cavity Ring-Down Spectroscopy (CRDS) pour mesurer les aérosols tout en travaillant sur sa thèse. CRDS est un processus où la lumière d'un laser pulsé rebondit entre des miroirs hautement réfléchissants pour créer un long chemin - généralement plusieurs kilomètres - pour mesurer la perte optique.

Thompson et ses collègues ont intégré le CDRS à l'intégration de la népholométrie à sphère (ISN), qui a été développé à l'origine par des chercheurs de l'Université du Nevada-Reno. ISN utilise des lasers et une chambre sphérique pour mesurer la quantité de lumière diffusée par les aérosols.

En combinant les deux techniques, Thompson et ses collègues ont déterminé qu'ils pouvaient mesurer simultanément la quantité de lumière diffusée par les aérosols et la quantité absorbée avec le même échantillon, et le faire dans une atmosphère naturelle a empêché les particules d'aérosol de s'accumuler sur un filtre, ce qui peut altérer les résultats. D'autres avancées instrumentales ont permis de mesurer la concentration massique de noir de carbone ou de suie en conjonction avec les mesures optiques.

C'est ce qu'on appelle la mesure de l'albédo de l'aérosol.

« Si l'albédo est égal à un, les particules d'aérosol sont parfaitement réfléchissantes et n'absorbent pas du tout la lumière, " a déclaré Thompson. " Si l'albédo est égal à zéro, qui n'arrive jamais, ils sont parfaitement absorbants. Néanmoins, nous pouvons mesurer ce rapport, et c'est extrêmement important pour déterminer si les aérosols dans l'atmosphère entraîneront ou non un réchauffement ou un refroidissement du climat. »

Carbone noir

L'un des principaux facteurs inconnus quant à l'absorption ou à la réflexion de la lumière par les aérosols est leur interaction avec le noir de carbone, qui se forme à partir de la combustion incomplète des moteurs diesel ou essence.

Le mélange de noir de carbone avec un matériau secondaire comme des matières organiques ou des sulfates augmente en fait la capacité d'absorption des particules mélangées, mais combien dépend de l'endroit où se trouve le noir de carbone, que ce soit au centre de la particule ou attaché sur le côté.

L'humidité joue également un rôle important dans la composition des particules. Le carbone noir lui-même n'est pas très adsorbant de l'eau, mais lorsqu'il est mélangé avec du sulfate ou du nitrate, il deviendra plus hygroscopique et captera l'eau de l'atmosphère, qui permet à la particule de croître.

"Nous voulons étudier l'organisation de la particule et savoir comment les matériaux se mélangent et où se trouve le noir de carbone au sein de la particule, " a dit Thompson. " Est-ce que ça se dissout ? Plonge-t-il au centre de la gouttelette ? Est-ce en surface ? Comment cela affecte-t-il les propriétés d'absorption de la lumière du matériau ? Nous pensons que ces détails n'ont pas tous été réglés, pourtant ils ont des conséquences profondes sur la quantité de lumière qui est absorbée."

Thompson a déjà effectué des mesures optiques à la fois dans un laboratoire ici à Lubbock - et à Houston, où le climat est beaucoup plus humide le long de la côte du golfe. Les résultats de ces expériences ont montré que, avec des recherches plus poussées, les secrets de l'organisation des particules d'aérosol avec du noir de carbone peuvent être dévoilés et leurs propensions à absorber la lumière peuvent être déterminées.

Thompson et ses collègues espèrent obtenir un financement supplémentaire pour poursuivre cette recherche à plus grande échelle.

"Toutes ces choses doivent être travaillées pour mieux comprendre comment le carbone noir influence le système climatique, ", a déclaré Thompson. "Ce sont les types de choses sur lesquelles nous aimerions travailler avec les appareils que nous avons développés."