Malgré la menace sanitaire importante que représente la pollution par les particules fines, les aspects fondamentaux de sa formation et de son évolution continuent d'échapper aux scientifiques.

Ceci est vrai notamment pour la fraction organique des particules fines (appelée aussi aérosol), dont une grande partie se forme lorsque les gaz organiques sont oxydés par l'atmosphère. Les modèles informatiques sous-prédisent cet aérosol organique dit "secondaire" (SOA) par rapport aux mesures de terrain, indiquant que les modèles manquent soit de certaines sources importantes, soit ne décrivent pas les processus physiques qui conduisent à la formation de la SOA.

De nouvelles recherches de l'Université Carnegie Mellon en collaboration avec la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) mettent en lumière une source sous-estimée de SOA qui pourrait aider à combler cet écart entre les modèles et les mesures. Publié dans Sciences et technologies de l'environnement , l'étude montre que les composés organiques volatils (COV) qui ne sont pas traditionnellement pris en compte peuvent contribuer autant ou plus à la SOA urbaine que des sources longtemps comptabilisées comme les émissions des véhicules et les gaz respirés par les feuilles des arbres.

"Notre expérience montre que, dans les zones où il y a beaucoup de monde, vous ne pouvez expliquer qu'environ la moitié de la SOA observée sur le terrain avec les émissions traditionnelles des véhicules et des arbres, " dit Albert Presto, professeur en génie mécanique et auteur correspondant de l'étude. "Nous attribuons cette autre moitié à ces COV non traditionnels."

En 2018, des chercheurs de la NOAA ont fait sensation dans la revue Science quand ils ont détaillé comment les COV non traditionnels représentent la moitié de tous les COV dans l'atmosphère urbaine des villes américaines. Les COV non traditionnels proviennent d'une multitude de produits chimiques différents, les industries, et produits ménagers, y compris les pesticides, enduits et peintures, produits de nettoyage, et même des produits de soins personnels comme les déodorants. De tels produits contiennent typiquement des solvants organiques dont l'évaporation conduit à des émissions atmosphériques substantielles de COV.

"C'est beaucoup de choses de tous les jours que nous utilisons, " a déclaré Presto. " Tout ce que vous utilisez qui est parfumé contient des molécules organiques, qui peut sortir dans l'atmosphère et réagir" où il peut former de la SOA.

La prévalence de ces COV représente un changement de paradigme dans l'image SOA urbaine. Le secteur des transports a longtemps été la principale source de COV dans l'air urbain, mais les émissions des véhicules aux États-Unis ont considérablement diminué (jusqu'à 90 %) en raison de la réglementation des tuyaux d'échappement au cours des dernières décennies, même si la consommation de carburant a augmenté. Comme les COV liés au transport ont perdu de leur importance, les COV non traditionnels ont commencé à constituer une contribution relative plus importante à l'atmosphère urbaine. Alors que les recherches de la NOAA ont alerté la communauté scientifique de l'atmosphère sur l'ampleur des COV non traditionnels dans les environnements urbains, ils ne pouvaient qu'émettre l'hypothèse que ces gaz étaient probablement importants pour la formation d'AOS ; l'idée restait à tester.

Tester la quantité de formulaires SOA à partir de ceux-ci n'est pas une tâche facile, toutefois. La formation SOA dans l'atmosphère se déroule sur plusieurs jours, ce qui rend difficile le suivi du trajet des gaz émis car ils sont dispersés par les vents et commencent à réagir avec la lumière du soleil et d'autres oxydants.

Rishabh Shah, un étudiant diplômé qui a étudié avec Presto et travaille maintenant à la NOAA, construit un réacteur pour évaluer le plein potentiel de formation de SOA dans un échantillon d'air sans avoir à suivre cet air au fil du temps.

"Le réacteur est un peu comme une application sur votre smartphone pour la formation de SOA, ", a déclaré Shah. "Vous prenez votre photo et l'application vous montre à quoi vous ressembleriez dans une décennie."

Le réacteur accélère le voyage sinueux d'un gaz en le bombardant d'oxydants à des concentrations beaucoup plus élevées que celles trouvées dans l'atmosphère. Celui-ci simule physiquement en quelques secondes toutes les réactions auxquelles une molécule de gaz est soumise dans l'atmosphère au cours d'une semaine. Dans un instant, Le réacteur de Shah peut évaluer le plein potentiel de l'air qu'il échantillonne pour former de la SOA.

L'équipe a monté son réacteur dans une camionnette, créer une plate-forme mobile à partir de laquelle ils pourraient accéder à l'air à partir de différents environnements contenant différents niveaux de COV non traditionnels. Ces emplacements comprenaient des sites sous le vent d'une grande installation industrielle, à côté d'un chantier, dans les profonds « canyons de rue » créés par les gratte-ciel d'un centre-ville, et parmi les immeubles de faible hauteur d'un quartier urbain.

Dans les endroits avec de grandes quantités de COV non traditionnels, le réacteur a formé de grandes quantités de SOA. Ces emplacements comprenaient à la fois des canyons de rue du centre-ville et parmi les immeubles urbains de faible hauteur, les deux endroits où l'évaporation des produits de consommation comme les déodorants et les revitalisants est élevée, surtout le matin. Des analyseurs de gaz avancés à bord de la plate-forme mobile ont permis à l'équipe de détecter la présence de bon nombre de ces COV non traditionnels.

Surtout, dans ces endroits, les modèles informatiques de pointe standard ne pouvaient pas prédire la quantité totale de SOA qu'ils ont observée dans leur réacteur. Cependant, dans d'autres environnements avec moins de COV non traditionnels, le modèle a pu prédire avec précision la quantité de SOA formée dans le réacteur.

Ensemble, ces éléments de preuve constituent un argument convaincant selon lequel les émissions de COV non traditionnelles sont responsables d'une quantité importante de SOA urbain. Presto estime que ces émissions non traditionnelles ont à peu près la même contribution que les émissions des transports et de la biosphère combinées, conformément à l'hypothèse avancée par la NOAA.

"Traditionnellement, nous nous sommes beaucoup concentrés sur les centrales électriques et les véhicules pour la qualité de l'air, qui sont devenus beaucoup plus propres aux États-Unis", a déclaré Presto. "Ce que cela signifie, c'est que maintenant, une quantité substantielle de la SOA provient de cet autre « quotidien, partout" catégorie qui n'a pas vraiment été considérée jusqu'à récemment."