Les particules de carbone noir, plus communément appelées suie, absorbent la chaleur dans l'atmosphère. Pendant des années, les scientifiques savent que ces particules affectent le réchauffement climatique de la Terre, mais mesurer leur effet exact s'est avéré insaisissable.

Chercheurs de la Michigan Technological University et du Brookhaven National Laboratory, avec des partenaires d'autres universités, industrie, et les laboratoires nationaux, ont déterminé que si la forme des particules contenant du noir de carbone a un certain effet sur le réchauffement atmosphérique, il est important de tenir compte des différences structurelles dans les particules de suie, ainsi que la façon dont les particules interagissent avec d'autres matériaux organiques et inorganiques qui recouvrent le carbone noir lorsqu'il se déplace dans l'atmosphère.

Publié aujourd'hui dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , l'article fournit un cadre qui réconcilie les simulations de modèles avec des observations en laboratoire et empiriques, et qui peut être utilisé pour améliorer les estimations de l'impact du carbone noir sur le climat.

Chaque particule de carbone noir est unique

L'absorption du rayonnement solaire par le carbone noir est comparable à celle du dioxyde de carbone. Pourtant, le noir de carbone ne reste dans l'atmosphère que pendant des jours ou des semaines, tandis que le dioxyde de carbone peut rester dans l'atmosphère pendant des centaines d'années.

Pendant des années, les scientifiques ont estimé que les particules de carbone noir étaient de forme sphérique dans des modèles fréquemment recouverts d'autres matériaux organiques. L'idée était que lorsque les particules de suie traversent l'atmosphère, le revêtement avait ce qu'on appelle un « effet de lentille »; le manteau focalise la lumière sur le noir de carbone, provoquant une augmentation de l'absorption des rayonnements. Et tandis que les particules de suie sont en effet enrobées de matières organiques, ce revêtement n'est pas uniforme d'une particule à l'autre.

« Quand vous prenez une image au microscope, les particules ne ressemblent jamais parfaitement à une sphère avec le même revêtement, " a déclaré Claudio Mazzoleni, professeur de physique à Michigan Tech et l'un des co-auteurs de l'article. "Si vous faites un calcul numérique sur des sphères parfaites recouvertes d'une coque, un modèle montrera une absorption améliorée des particules de carbone noir jusqu'à un facteur trois."

Des études empiriques sur les particules de noir de carbone démontrent que l'absorption est bien inférieure à ce que les modèles suggèrent, remettant en question l'efficacité du modèle ainsi que notre compréhension de l'effet de forçage climatique du noir de carbone.

La recherche suggère que le revêtement de matière organique n'est pas entièrement sphérique; selon la manière dont les matières organiques s'accrochent à une particule de noir de carbone, la forme résultante peut amener la particule à agir très différemment même si elle contient la même quantité de matière qu'une autre particule de suie de forme différente. Mais ce qui est encore plus important, c'est que la quantité de revêtement peut changer de manière disparate d'une particule à l'autre. Ces deux attributs diminuent tous deux l'amélioration d'absorption attendue.

Laura Féroce, un scientifique associé de l'atmosphère au Brookhaven National Laboratory, appliqué le modèle à résolution de particules pour tenir compte de l'hétérogénéité des particules tout en modélisant le carbone noir.

"Alors que la plupart des modèles d'aérosols simplifient la représentation de la composition des particules, le modèle à résolution de particules suit la composition des particules individuelles au fur et à mesure qu'elles évoluent dans l'atmosphère, " Fierce a déclaré. "Ce modèle est particulièrement adapté pour évaluer l'erreur résultant d'approximations communes appliquées dans les modèles d'aérosols à l'échelle mondiale."

Moins d'effet sur le réchauffement climatique que nous le pensions

Essentiellement, les chercheurs ont introduit dans la modélisation du climat la diversité des revêtements organiques et inorganiques sur les particules et la nature non uniforme des particules elles-mêmes. En combinant un modèle empirique avec des mesures de laboratoire, le modèle a prédit une augmentation beaucoup plus faible d'amélioration de l'absorption par le carbone noir qu'on ne le pensait auparavant. La modélisation mise à jour rapproche également la sortie du modèle de ce qui a été mesuré sur le terrain.

"Les gens pensent que le noir de carbone a un très fort effet de réchauffement sur l'atmosphère, qui dépend de l'absorption, " a déclaré Mazzoleni. " Si vous avez une plus grande absorption, il contribue au réchauffement et a un plus grand impact sur le climat. Pour comprendre à quel point le carbone noir contribue au réchauffement climatique, nous devons comprendre ces détails car ils peuvent faire la différence."

Cette recherche ouvre la voie à l'amélioration des prévisions de l'effet radiatif du noir de carbone sur le climat. La réduction des émissions de carbone noir dans l'atmosphère peut aider à réduire certains des effets du changement climatique. Les résultats de cette étude suggèrent que l'absorption d'une particule par masse est plus faible qu'on ne le pensait auparavant, mais combien de carbone noir force le réchauffement atmosphérique dépend aussi des niveaux d'émissions, interactions avec les nuages ​​et la distance parcourue par une particule. Et si la réduction des émissions de suie est importante, la réduction du dioxyde de carbone dans l'atmosphère est toujours de la plus haute importance.