La fumée des nombreux incendies de forêt qui brûlent dans l'Ouest a rendu la qualité de l'air dangereuse pour des millions de personnes aux États-Unis. Et ce sont les plus petites particules d'aérosol dans cet air qui le rendent particulièrement nocif pour la santé humaine. Mais pendant des décennies, nous ne savons pas combien de temps ces particules restent en l'air.

De nouvelles recherches menées par des scientifiques de la Colorado State University nous donnent une bien meilleure compréhension de ce processus, qui peut aider non seulement à la prévision de la qualité de l'air, mais aussi dans la modélisation du climat mondial.

Particules d'aérosol, que ce soit de la fumée d'un incendie de forêt ou des gaz d'échappement des voitures, jouent un rôle important dans la quantité de chaleur absorbée ou déviée par l'atmosphère. Cependant, nous n'avons pas entièrement compris à quelle vitesse ces minuscules particules ont été extraites de l'air, surtout en l'absence d'humidité. Cela a ajouté une incertitude substantielle aux modèles climatiques déjà complexes.

Delphine Fermière, professeur agrégé au Département de chimie du Collège des sciences naturelles de la CSU, savions qu'il était temps que nous puissions faire mieux.

Farmer et ses collègues ont récemment annoncé avoir été en mesure de détecter, dans des environnements réels, des forêts aux prairies, la vitesse à laquelle ces particules importantes quittent réellement l'atmosphère. Leurs conclusions sont apparues pour la première fois en ligne la semaine du 5 octobre dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .

"Ce travail met vraiment en évidence l'importance et la puissance des mesures de terrain, " Farmer a déclaré. "Nous pouvons utiliser directement les observations des études sur le terrain pour réduire les incertitudes dans les modèles climatiques, et d'améliorer notre compréhension des processus liés au climat."

Se concentrer sur l'incertitude

Les particules d'aérosol tombent de l'air de deux manières principales. Le premier et le plus courant est connu sous le nom de dépôt "humide", quand l'humidité les chasse de l'air, que ce soit par la formation de nuages, neiger, ou des précipitations. Les scientifiques maîtrisent assez bien cette force, qui représente environ 80 % de l'effet aérosol dans l'atmosphère.

Mais l'autre force, dépôt "sec", a été beaucoup plus mystérieux, même si elle joue un rôle non négligeable au niveau mondial. Parce que les aérosols sont si petits (mesurés en nanomètres et en microns), ils ne tombent pas simplement en raison de la gravité. Ils peuvent flotter longtemps dans les courants d'air. Juste combien de temps, cependant, a été la question.

"Quand une particule est émise dans l'atmosphère, la durée pendant laquelle il reste dans l'air dépend de ces processus d'élimination, " dit Farmer. C'est crucial, elle a expliqué, car "plus une particule reste longtemps dans l'atmosphère, plus il a l'occasion de voyager plus loin, ou faire des nuages, ou avoir un impact sur la santé humaine. Il est donc essentiel d'avoir le bon processus d'élimination pour prédire les concentrations de particules et leurs effets."

Les premiers résultats de calculs théoriques dans les années 1970 et 1980, et des mesures plus grossières effectuées sur des surfaces lisses vers 2000, ont été introduits dans les modèles climatiques pendant des décennies.

C'est là que Farmer, qui a fait une carrière dans la recherche en suivant la chimie atmosphérique avec des instruments à haute résolution, vu une opportunité d'amélioration.

Des modèles climatiques améliorés et la santé humaine

Farmer et ses collègues savaient que, bien sûr, la surface de la terre et même de l'océan n'est pas entièrement lisse. Ils voulaient donc voir ce qui arrivait réellement à ces particules dans le monde réel.

En particulier, ils ont examiné les forces au-delà de la gravité qui conduisaient les voyages de ces aérosols. "Pour les petits, particules importantes pour le climat et la santé, la turbulence dans l'atmosphère amène les particules vers les surfaces et permet à ces particules de se coincer, " dit le fermier.

Et pour cette raison, ces petites particules n'ont pas de chemin direct vers une surface, en particulier dans un environnement de surface complexe comme une forêt. Farmer l'a expliqué comme chaque particule d'aérosol microscopique exécutant son propre gant, "un peu comme American Ninja Warrior, où la particule doit éviter de heurter différents obstacles afin de rester dans l'atmosphère. Et chaque gantelet est particulièrement difficile pour différentes tailles de particules."

Pour voir comment ces particules de tailles diverses se débrouillaient dans ce parcours du combattant, les chercheurs ont déployé un spectromètre d'aérosol à ultra-haute sensibilité, qui utilise un laser pour compter les particules. Ils ont installé des stations de mesure dans une pinède de la forêt expérimentale de Manitou au Colorado, et dans les prairies du sud des grandes plaines de l'Oklahoma, pour capturer des données réelles sur ces particules au fur et à mesure de leur atterrissage.

"Nous avons mesuré à quelle vitesse différentes particules parcourent ce gant, " expliqua Farmer. " Ensuite, nous avons utilisé ces mesures pour déterminer quelle partie du gant ralentissait les différentes particules. "

Ils ont trouvé une gamme de durées de vie beaucoup plus étroite pour ces particules importantes que ce qui avait été suggéré par une modélisation antérieure. En réalité, les anciennes prédictions tablaient sur une élimination plus rapide des très petites particules (celles de moins de 100 microns) et une élimination plus lente des particules plus grosses (celles de plus de 400 microns).

"Cela signifie que nous avons peut-être sous-estimé l'effet indirect des aérosols dans les modèles, " A déclaré Farmer. « La bonne nouvelle est que nous avons surestimé l'incertitude – nous connaissons maintenant mieux les taux de perte de particules. »

Les nouvelles découvertes peuvent être appliquées à toutes sortes de surfaces inégales, des forêts aux prairies en passant par les zones agricoles et même les mers agitées.

Plus d'effets d'aérosol sur la terre

Lors de l'intégration de leurs résultats dans les modèles des effets des aérosols à l'échelle mondiale, Farmer et ses coauteurs prédisent qu'il y aura plus d'effet d'aérosol qu'on ne le supposait auparavant sur certaines zones terrestres, y compris certaines parties de l'Amérique du Nord, L'Europe , Asie, Amérique du Sud, Australie, et l'Afrique subsaharienne—et une diminution de l'effet des aérosols sur les océans.

"Il s'avère que la course des particules pour se déposer sur une surface est assez importante pour prédire les effets radiatifs" et à quoi pourrait ressembler le climat futur, dit le fermier.

Leurs nouvelles données suggèrent également que nous avons sous-estimé la quantité d'aérosols dans l'air qui sont les plus nocifs pour la santé humaine, ceux inférieurs à 2,5 nanomètres (également appelés PM2,5), qui sont, par exemple, la partie la plus dangereuse de la fumée des incendies de forêt.

"Notre [nombre] révisé augmente les concentrations de PM2,5 en surface de 11% dans le monde et de 6,5% sur terre, " Farmer et ses collaborateurs ont écrit dans leur nouvel article. Ce qui est important à savoir car "l'exposition aux PM2,5 est liée aux maladies respiratoires et cardiovasculaires".

Les coauteurs de l'étude comprenaient Jeffery Pierce, professeur agrégé au Département des sciences de l'atmosphère du Walter Scott, Collège Jr. d'ingénierie, et Kelsey Bilsback, un chercheur postdoctoral là-bas; ainsi que des doctorants du Département de chimie Ethan Emerson, Anna Hodshire, et Holly DeBolt; et Gavin McMeeking de la société Handix Scientific à Boulder.

Cet important travail montre également à quel point les technologies de mesure sur le terrain sont en train de devenir avancées et percutantes.

"Tome, the most exciting aspect of this work is that we are able to take real-world measurements over a forest and a grassland site and use them to directly improve our understanding of the climate system, " Farmer said.