Il y a cinq ans, en mars 2014, les chercheurs ont passé trois heures emballés à bord d'un avion de recherche à vapeur Gulfstream-1 alors qu'il zigzaguait entre l'air pur au-dessus de la forêt amazonienne et l'air pollué à proximité. C'était comme un voyage dans le temps, alors que les scientifiques se faufilaient entre les deux paramètres très différents, accrocher des échantillons d'air caractéristiques de l'environnement industriel d'aujourd'hui ainsi que des échantillons d'air non pollué, comme ça avant l'ère industrielle.

Une équipe internationale de scientifiques dirigée par Manish Shrivastava du Pacific Northwest National Laboratory a analysé certaines des données et a découvert que la pollution d'origine humaine stimule la production de particules modifiant le climat appelées aérosols organiques secondaires beaucoup plus qu'on ne le pensait auparavant. L'équipe a publié ses résultats dans Communication Nature .

Les résultats illustrent comment la pollution des voitures, les centrales électriques et d'autres sources se combinent avec les émissions naturelles des arbres en Amazonie pour stimuler une augmentation marquée des minuscules particules qui peuvent refléter ou absorber la lumière du soleil, aider à créer des nuages, modifier les régimes de précipitations, et déterminer comment le carbone circule entre la terre et l'atmosphère – le tout avec des effets dramatiques sur notre planète.

Le résultat provient d'une campagne de recherche, connu sous le nom de GOAmazon, dirigé par le Centre de recherche sur la mesure du rayonnement atmosphérique, une installation utilisateur du ministère de l'Énergie du Bureau des sciences. La campagne s'est concentrée sur la région proche et autour de Manaus, une ville brésilienne de plus de 2 millions d'habitants entourée de forêts tropicales sur des centaines de kilomètres. Les scientifiques qualifient la vaste canopée forestière autour de Manaus d'"océan vert, " donnant au nom de la campagne ses premières lettres.

La région offre un environnement de recherche difficile à trouver ailleurs sur terre. D'un côté d'une frontière indéfinie se trouve une forêt tropicale humide droite avec un air cristallin et des niveaux de 300 particules d'aérosol par centimètre cube; de l'autre côté est l'air au-dessus de Manaus, avec des concentrations de particules 100 fois plus élevées en raison de l'activité humaine.

"Pour vraiment comprendre comment la pollution a influencé l'atmosphère, nous devons comparer l'atmosphère d'aujourd'hui avec celle d'avant l'ère industrielle, " a déclaré Shrivastava. " C'est un défi; bien sûr, on ne peut pas remonter le temps. Mais l'Amazonie est l'un des rares endroits sur terre où l'on peut étudier simultanément la chimie atmosphérique passée et présente."

En ce jour ensoleillé il y a cinq ans, l'avion ARM a marché d'un côté à l'autre de la frontière, voler sur la longueur d'un terrain de football chaque seconde, prélever des échantillons d'air sur le vierge puis sur le pollué.

« La région offre un merveilleux laboratoire naturel pour comprendre comment les émissions anthropiques ont un impact sur la chimie atmosphérique et le climat, " dit Shrivastava.

Alors que seule une infime partie de notre planète offre une opportunité unique pour cette étude, les découvertes s'appliquent à la chimie atmosphérique qui a lieu partout sur terre à chaque instant.

Cette chimie est à l'origine des parfums rafraîchissants d'une prairie forestière ou de fleurs fraîches. Quand ces parfums frappent notre nerf olfactif, nous détectons en fait un ensemble de gaz, tels que l'isoprène et les terpènes carbonés, qui se dégagent naturellement des arbres et autres végétaux. Les gaz contribuent à l'ozone et à d'autres formes de brume qui affectent la quantité de lumière solaire atteignant la terre.

Lorsque ces émissions naturelles de carbone interagissent à la lumière du soleil avec l'oxyde d'azote - naturellement émis par les sols mais aussi un produit courant largement émis par l'activité humaine - un résultat est la formation de minuscules particules appelées aérosols organiques secondaires. Bien que les aérosols soient minuscules, beaucoup plus petit que la largeur d'un cheveu humain, ils ne sont pas du tout des acteurs du climat terrestre. Ils sont une composante importante des cycles de l'énergie et du carbone de la planète, déterminant en partie le sort du vaste réservoir de carbone de la planète et la façon dont il circule entre la terre et l'atmosphère.

Shrivastava et ses collègues ont cherché à savoir comment les émissions anthropiques augmentent la production de ces particules de carbone naturelles - à quel point les effets de l'activité humaine sont importants pour stimuler la transformation des gaz éjectés de la végétation en ces puissantes particules qui modifient le climat.

L'équipe a intégré ces données à d'autres mesures en laboratoire pour développer un modèle informatique avancé pour simuler les réactions chimiques qui forment des particules dans l'atmosphère. Le modèle fait double emploi, reproduisant à la fois la chimie préindustrielle et actuelle. La plupart des modèles ont été largement créés sur la base des conditions actuelles; les mesures d'Amazon fournissent des informations sur les conditions chimiques préindustrielles qui ont amélioré les capacités prédictives du modèle.

L'équipe a découvert que l'oxyde d'azote émis par les activités humaines comme le trafic et les raffineries de pétrole favorise la création de ces particules à partir du carbone naturel des forêts beaucoup plus qu'on ne le pensait auparavant, provoquant une augmentation moyenne de n'importe où de 60 à 200 pour cent et même jusqu'à 400 pour cent dans certains cas. C'est comparé aux 20 pour cent précédemment estimés par les scientifiques sur la base de données dans des endroits continentaux plus pollués.

L'équipe a également montré que la plupart de ces particules secondaires contenant du carbone étaient formées par ce phénomène.

« L'impact de la pollution dans la création d'aérosols organiques secondaires a été très difficile à déterminer, " dit Shrivastava. " Nos découvertes indiquent que l'atmosphère terrestre dans de nombreux endroits continentaux a déjà été considérablement modifiée par les activités humaines, et il y a un impact beaucoup plus important et généralisé qu'on ne l'a estimé."

Dans leur papier, Shrivastava et les autres auteurs concluent :« Nos résultats fournissent une image claire de la façon dont les émissions anthropiques sont susceptibles d'avoir considérablement modifié la formation de SOA biogénique [aérosol organique secondaire] depuis l'époque préindustrielle sur la Terre, et impliquent qu'une urbanisation rapide dans les années à venir pourrait améliorer considérablement la formation de SOA biogénique dans les régions boisées vierges de l'Amazonie. »

Shrivastava est l'un des nombreux scientifiques du monde entier qui créent des modèles informatiques complexes pour expliquer l'atmosphère et le système terrestre. Il décrit l'atmosphère comme « un grand réacteur chimique qui traite constamment les émissions naturelles et humaines, et affecte à son tour à la fois le climat et la santé humaine."