Certaines particules dans l'atmosphère ont la capacité unique de modifier les propriétés des nuages ​​en faisant geler les gouttelettes d'eau à des températures plus élevées qu'elles ne le feraient seules. Avec cette capacité, ces particules dites de nucléation de glace peuvent grandement affecter l'évolution des nuages, précipitation, et le climat. Des recherches antérieures ont indiqué que la combustion de la biomasse, comme dans les incendies de forêt, était une source majeure de particules atmosphériques, incluant parfois ces particules de nucléation de glace rares et insaisissables, mais cette relation entre la combustion et la libération de nucléants de glace n'a pas été comprise.

Une nouvelle étude du Center for Atmospheric Particle Studies de Carnegie Mellon vise à répondre à ces questions sur les particules de nucléation de la glace et leur relation avec la combustion de la biomasse. Dirigé par Ryan Sullivan, professeur agrégé de chimie et de génie mécanique, une équipe de chercheurs a mené des expériences approfondies sur les émissions de biocombustibles authentiques. Ils ont découvert que les minéraux provenant de la combustion de la biomasse sont une source méconnue et importante de particules de nucléation de glace qui peuvent expliquer une grande partie de l'activité de congélation observée dans la fumée des incendies de forêt.

L'équipe, y compris Ph.D. étudiants Leif Jahn, Michel Polen, Lydia Jahl, et Thomas Brubaker, ont d'abord examiné les preuves préliminaires qu'ils ont obtenues qui ont révélé que la capacité de nucléation de la glace des particules émises par la combustion de la biomasse - en particulier les aérosols - est devenue plus forte au fil du temps. Cela allait à l'encontre des expériences précédentes sur le terrain, qui a constaté que le vieillissement chimique dégrade la capacité de nucléation de la glace de la plupart des types de particules, ou ne le modifie pas.

Les chercheurs ont émis l'hypothèse que cette capacité renforcée provenait de modifications chimiques des particules de suie de carbone noir dans l'aérosol. On pense que les particules de suie sont les agents de nucléation de la glace libérés par la combustion du carburant et que les surfaces des particules s'oxydent davantage à mesure qu'elles vieillissent. Au fur et à mesure que les particules de suie s'oxydent dans l'atmosphère, peut-être sont-ils devenus plus hydrophiles, augmenter leur capacité de nucléation de la glace, puisque la nucléation de la glace implique la formation de molécules d'eau à la surface en un embryon de cristal de glace.

"Nous avons fait de nombreuses expériences, et nos expériences ont indiqué que notre hypothèse d'origine n'était pas juste parce que les combustibles qui produisaient le plus de suie avaient généralement les propriétés de nucléation de glace les plus faibles, ou aucun que nous puissions mesurer, " a déclaré Sullivan. " Donc, il ne semblait pas que la suie était l'explication. " Cela leur a donné un indice critique que quelque chose d'autre que la suie graphitique était responsable de la nucléation de la glace qu'ils mesuraient.

Essayant toujours d'expliquer pourquoi les propriétés de nucléation de la glace de l'aérosol ont augmenté après le vieillissement, Sullivan est devenu curieux au sujet des cendres restant dans la casserole où ils ont brûlé les combustibles au cours de leurs expériences. Par diffraction des rayons X sur les atomes qui composent la cendre, ils ont découvert que les cendres qui avaient les propriétés de nucléation de glace les plus fortes contenaient également le matériau le plus cristallin. Lorsqu'ils ont examiné les minuscules particules d'aérosol submicroniques à l'aide de la microscopie électronique et à rayons X, ils ont également vu des minéraux dans les échantillons qui étaient les meilleurs agents de nucléation de la glace. Il s'agissait d'une découverte clé car la présence de minéraux cristallins est connue pour stimuler la capacité de nucléation de la glace, mais cela n'avait pas été exploré à la fois dans les aérosols brûlant de la biomasse et dans les cendres laissées sur place.

Après avoir collecté des échantillons authentiques de biocombustible dans divers refuges fauniques nationaux, ils ont mené plus d'expériences pour explorer comment les changements dans le carburant d'origine sont liés aux différences dans la capacité de congélation des émissions de fumée. Ils ont pu lier la production de ces nouveaux minéraux à partir de la combustion de la biomasse à des niveaux plus élevés d'éléments formateurs de minéraux mesurés dans certains des combustibles d'origine. Ils ont également été en mesure d'exclure de manière concluante les particules de suie de carbone noir comme source des agents de nucléation de la glace.

La communauté de la chimie atmosphérique ne s'était pas beaucoup concentrée sur les minéraux produits dans les aérosols brûlant de la biomasse, car ils sont supposés provenir de particules de sol préexistantes ou de poussières qui ont atterri sur l'arbre ou la plante et ont ensuite été remises en suspension dans l'atmosphère lors d'incendies de forêt. Mais Sullivan et son équipe ont découvert que ces minéraux sont en fait produits à partir de la combustion elle-même. Si le carburant contient des éléments comme le silicium, fer à repasser, aluminium, et du calcium, lorsqu'il est brûlé, des particules contenant des minéraux sont créées. Les combustibles à base d'herbes hautes ont tendance à produire plus de particules de nucléation de glace que les arbres, car ils contiennent naturellement plus d'éléments minéraux.

Sullivan y voit un exemple de la méthode scientifique à l'œuvre. Leur hypothèse originale selon laquelle la suie était la réponse était étayée par des données préliminaires et d'autres études de la littérature, mais leurs données expérimentales disaient quelque chose de tout à fait différent. Donc, ils ont développé différentes expériences et méthodes d'analyse pour poursuivre leur enquête. Il s'agit d'un projet de cinq ans et le principal objectif du prix de carrière de la National Science Foundation (NSF) de Sullivan.

"Nos résultats sont une perspective totalement différente pour la communauté de la chimie atmosphérique en ce qui concerne la source de minéraux dans la fumée de combustion de la biomasse, ", a-t-il déclaré. "Ils ont aidé à résoudre les incertitudes de longue date concernant les questions de savoir pourquoi certains biocombustibles créent des particules de nucléation de glace lorsqu'ils brûlent et d'autres pas, quelles sont les sources des particules, et comment évolueront-ils à mesure qu'ils se déplaceront dans l'atmosphère."