Une étude réalisée par une équipe internationale de chercheurs, dont des scientifiques brésiliens, montre que la pollution urbaine de Manaus, la capitale de l'État d'Amazonas au Brésil, augmente bien plus que prévu la formation d'aérosols via la forêt amazonienne.

Cette forte augmentation des aérosols produits par la forêt a un impact significatif sur les principaux moteurs du changement climatique mondial, comme le bilan radioactif, production de nuages ​​et de pluie, et le taux de photosynthèse des plantes. Là où la pollution urbaine n'affecte pas la forêt, les aérosols organiques sont produits par les sols de la région, mais en quantité bien moindre, selon l'étude.

Des recherches similaires concernant les forêts boréales, qui ont servi de base à la modélisation du climat mondial, ont montré une augmentation maximale des niveaux d'aérosols organiques secondaires de 60 pour cent en raison de la pollution des villes voisines.

"Pour la première fois, nous avons pu modéliser et prédire les niveaux d'aérosols en Amazonie. Les modèles climatiques basés sur l'hémisphère nord sont connus pour ne pas s'appliquer à la forêt amazonienne. Nous avons réalisé que les chiffres dérivés d'autres études ne correspondaient pas. Les résultats de cette nouvelle étude permettront donc de rendre les modèles météorologiques plus précis et d'affiner la modélisation climatique régionale et mondiale, " a déclaré publié dans Communication Nature , la pollution urbaine entraîne une augmentation moyenne de 200 pour cent de la formation d'aérosols organiques secondaires, avec des pointes allant jusqu'à 400 pour cent. La FAPESP a soutenu l'étude dans le cadre de l'expérience Green Ocean Amazon et d'un projet thématique lié au programme de recherche sur le changement climatique mondial.

Paulo Artaxo, professeur titulaire à l'Institut de physique de l'Université de São Paulo (IF-USP) et l'un des auteurs de l'article, dit que la prochaine étape consiste à inclure la chimie des aérosols tropicaux dans les modèles climatiques mondiaux, tels que ceux utilisés par le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC) des Nations Unies, par exemple, afin qu'ils prévoient avec plus de précision les cycles hydrologiques en Amazonie et détectent les changements dans les régimes de précipitations dans toute la région tropicale de la Terre.

Petite modification, impact majeur

Un aérosol est une suspension de fines particules solides ou de gouttelettes liquides dans l'air. Les aérosols primaires sont produits naturellement par les forêts, comprenant de la poussière, pollen, cendres et particules de carbone des feux de forêt, par exemple. Les aérosols secondaires sont formés dans l'atmosphère par les réactions chimiques des aérosols primaires et des précurseurs gazeux ou composés organiques volatils (COV) émis par les forêts et les activités humaines, comme la combustion de combustibles fossiles.

L'augmentation jusqu'à 400 pour cent des aérosols organiques secondaires due au panache de pollution de Manaus a un effet significatif sur l'environnement. Ces aérosols jouent un rôle majeur dans l'absorption du rayonnement solaire par l'atmosphère pour former des nuages ​​de pluie, entre autres.

Le panache de Manaus contient des niveaux élevés d'ozone (O3), oxyde de nitrogène, le dioxyde de soufre (SO2) et les radicaux hydroxyles (OH). "Lorsque les niveaux de composés soufrés et azotés provenant de la pollution urbaine s'accumulent dans l'atmosphère, les vapeurs biogènes de la forêt s'oxydent beaucoup plus rapidement, formant de nombreux nouveaux aérosols - bien plus que ce ne serait le cas si le processus était purement naturel, " dit Henrique Barbosa, également professeur à l'IF-USP et co-auteur de l'article.

Dans cette étude, le groupe de recherche international a analysé les conséquences de ces changements de manière observationnelle et expérimentale à l'aide de modèles mathématiques. Ils ont également réalisé des simulations informatiques sur la formation de cette grande quantité d'aérosols, identifier les processus associés à leur origine et les mécanismes chimiques absents des modèles utilisés.

"La région amazonienne est en grande partie vierge et exempte de pollution. Une infime augmentation des composés azotés, par exemple, déclenche une énorme augmentation des niveaux d'aérosols forestiers, " a déclaré Barbosa. " Les perturbations causées par les émissions anthropiques sont très violentes et affectent le climat de la région, le système hydrologique et le climat mondial."

L'impact le plus fort de ce changement est sur la formation des nuages ​​en Amazonie. "Nous avons vu comment des niveaux élevés d'aérosols ultrafins dans les nuages ​​modifient la vitesse de l'air ascendant, rendre les nuages ​​plus vigoureux avec de l'eau plus précipitable, " il ajouta.

Photosynthèse

La quantité d'aérosols influence également fortement la photosynthèse via la forêt, qui dépend du rayonnement solaire pour fixer les niveaux de carbone. "Nous avons observé que dans une certaine mesure, l'augmentation des niveaux d'aérosols secondaires rend la photosynthèse plus efficace. Puis, les réactions se déroulent plus lentement, " a déclaré Barbosa.

Il a expliqué que cela se produit en raison de l'interaction entre les aérosols et le rayonnement solaire. Les aérosols circulent librement dans l'air et modifient la quantité de rayonnement à la fois direct (la lumière du soleil qui crée de l'ombre) et diffus reçu par la forêt.

Le rayonnement diffusé dans la forêt pénètre plus profondément dans la végétation, de la canopée jusqu'aux feuilles les plus basses, afin que les plantes puissent l'utiliser pour la photosynthèse. Le rayonnement direct n'atteint que les feuilles les plus hautes, et de là bas, il crée de l'ombre.

"Lorsque les niveaux d'aérosols dans l'atmosphère augmentent, la photosynthèse augmente, mais si ces niveaux deviennent excessifs, ils entravent la photosynthèse. Finalement, cela ne fait aucune différence si le rayonnement diffusé augmente, car les aérosols bloquent la lumière du soleil, et les plantes sont incapables d'utiliser beaucoup de carbone, " a déclaré Barbosa.

Isoprène

Selon les chercheurs, l'étude montre que les forêts tropicales sont nettement plus dynamiques qu'on ne le pensait à l'origine. « L'augmentation des aérosols causée par la pollution est bien plus importante dans les forêts tropicales [400 %] que dans les forêts boréales [60 %]. Cela est dû à des mécanismes d'émission et d'oxydation différents, ainsi que la présence d'isoprène uniquement dans les forêts tropicales, " a déclaré Artaxo.

L'isoprène est un type de COV naturellement émis par la végétation dans les forêts tropicales dans le cadre du métabolisme de la végétation. L'isoprène est émis en grande quantité par la forêt amazonienne et a une courte demi-vie dans l'atmosphère, où il est transformé en particules d'aérosol. « La transformation de l'isoprène en particules est fortement accélérée par la présence de pollution de Manaus, en particulier les émissions d'oxydes d'azote, " a déclaré Artaxo.

Dans les forêts boréales, il n'y a pas d'émissions d'isoprène, bien que ces forêts émettent de faibles niveaux de terpène (un autre COV). Cependant, la chimie atmosphérique de ce gaz est entièrement différente de celle de l'isoprène.

"Cela fait des émissions des forêts tropicales la clé de la production de particules et de la formation d'ozone, avec une chimie inconnue avant l'expérience GOAmazon, " dit Artaxo. " Maintenant que nous connaissons les mécanismes chimiques, nous pouvons les inclure dans les modèles climatiques mondiaux pour faire progresser notre compréhension du rôle joué par les forêts tropicales dans le climat de la planète."

Il a ajouté que l'augmentation des aérosols organiques secondaires n'est pas seulement associée à la pollution urbaine, comme les émissions des véhicules. Cela peut également être dû à d'autres activités qui produisent des oxydes d'azote, comme les incendies de forêt et l'utilisation de générateurs dans les petites villes de la région amazonienne.

"Nous avons découvert que l'oxyde d'azote est le catalyseur de la formation d'aérosols organiques secondaires. Si ce composé est présent dans la pollution, quelle que soit la cause ou l'origine, la production de particules va s'intensifier, " a déclaré Artaxo.

Plus de précision

La plupart des modèles climatiques sont actuellement basés sur des données et des processus typiques de l'hémisphère nord. Dans le cas des aérosols organiques secondaires et de leurs impacts, les modèles ne reflètent pas avec précision les conditions dans les forêts tropicales, comme l'Amazonie.

Pour produire un nouveau modèle incluant des données pour l'Amazonie, les chercheurs ont utilisé des mesures prises par des avions appartenant au département américain de l'Énergie (DoE), données obtenues en surface par plusieurs stations de prélèvement, et un logiciel informatique sophistiqué qui simule la chimie atmosphérique et la météorologie à l'échelle régionale pour détecter les corrélations entre le temps et les processus chimiques dans l'atmosphère au-dessus de cette forêt.

Cette approche a permis aux chercheurs d'utiliser les données sur les réactions chimiques impliquées pour calibrer le modèle WRF-Chem, un modèle existant qui couple dynamique atmosphérique et chimie, afin de simuler la dispersion du panache de pollution de Manaus et la production supplémentaire d'aérosols due à l'interaction entre cet épisode de pollution et les émissions naturelles (biogéniques) de la forêt.

La prochaine étape consistera à intégrer ces processus dans les modèles climatiques mondiaux pour améliorer les prévisions météorologiques à long terme et les projections des précipitations et de la formation de particules tout en faisant progresser la compréhension des scientifiques du rôle des forêts tropicales dans le changement climatique.