Les aérosols sont de minuscules particules solides ou liquides en suspension dans l'air. Ils influencent le climat en absorbant ou en diffusant la lumière du soleil et en servant de noyaux de condensation des nuages. De plus, ils peuvent avoir un impact sur le bien-être humain en raison des effets néfastes sur la santé des particules fines.

Une grande partie des particules est constituée de nitrate, sulfate, et des ions ammonium. La formation de ces composants majeurs des aérosols est fortement influencée par l'acidité des aérosols, qui varie considérablement entre les différentes régions avec des valeurs de pH des aérosols allant de ~1 à ~6. Les moteurs de ces grandes variations, cependant, ne sont pas clairs.

Les chercheurs ont maintenant découvert à quel point la teneur en eau et la concentration en masse totale des particules d'aérosol sont importantes pour leur acidité. Une équipe dirigée par Yafang Cheng et Hang Su de l'Institut de chimie Max Planck a découvert que ces facteurs peuvent être encore plus importants que la composition des particules sèches. Pour les zones continentales peuplées à fortes émissions anthropiques d'ammoniac provenant de l'agriculture, circulation, et de l'industrie, ils ont découvert que le pH des aérosols peut être efficacement tamponné et stabilisé à différents niveaux par la paire acide-base conjuguée d'ions ammonium et d'ammoniac (NH 4 +/NH 3 ).

Les recherches maintenant publiées dans la revue de recherche interdisciplinaire Science a commencé par la question de savoir si et comment le pH des aérosols est tamponné dans différentes régions continentales. Pour régler ce problème, les scientifiques de Mayence ont développé une nouvelle théorie du tamponnage multiphasique dans les aérosols, analysé les données de mesure atmosphérique et effectué des simulations de modèles mondiaux de la composition des aérosols et de l'acidité.

"Il s'est avéré que le couple acide-base NH 4 +/NH 3 tamponne le pH des aérosols sur les zones continentales les plus peuplées, même si l'acidité peut varier de plusieurs unités de pH", dit Yafang Cheng, Chef du groupe de recherche Minerva à l'Institut de chimie Max Planck. « Les variations de la teneur en eau sont responsables de 70 à 80 % de la variabilité mondiale du pH des aérosols dans les régions tamponnées à l'ammoniac, ce qui n'était pas connu auparavant et peut être expliqué par notre nouvelle théorie de tampon multiphase, " Elle ajoute.

En particulier, les chercheurs de Max Planck ont ​​utilisé leur modèle pour comparer la composition et l'acidité des aérosols pour deux régions et conditions géographiques très différentes. Dans le sud-est des États-Unis pendant l'été, l'air est pur, et les quelques particules d'aérosols atmosphériques contiennent peu d'eau à des valeurs de pH d'environ ~1, alors qu'il y a généralement des concentrations élevées d'aérosols avec une teneur en eau élevée à des valeurs de pH autour de ~ 5 sur la plaine de Chine du Nord en hiver. "Nous constatons que ces grandes différences de pH des aérosols sont principalement dues à des différences de charge d'aérosols et de teneur en eau plutôt qu'à des différences de teneur en nitrates comme le supposaient les études précédentes, " explique Guangjie Zheng, un post-doctorant dans le groupe de Yafang Cheng.

« Globalement, ~70 % des zones urbaines sont en régime tamponné à l'ammoniac", résume Hang Su, chef de groupe scientifique au sein du département de chimie multiphasique de l'institut. "Ainsi, le mécanisme tampon multiphasique nouvellement découvert est important pour comprendre la formation de brume et les effets des aérosols sur la santé humaine et le climat dans l'Anthropocène."

Les résultats de l'équipe autour de Cheng et Su impliquent non seulement que le pH des aérosols et la chimie multiphasique atmosphérique sont fortement affectés par l'influence humaine omniprésente sur les émissions d'ammoniac et le cycle de l'azote dans l'Anthropocène. Ils améliorent également la compréhension de l'évolution de la pollution atmosphérique et offrent ainsi une approche importante pour d'éventuelles mesures de contrôle.