Les résultats d'une étude des nuages et des aérosols menée aux Açores ont révélé que de nouvelles particules peuvent semer la formation de nuages dans la couche limite marine - l'atmosphère jusqu'à environ un kilomètre au-dessus de la surface de la Terre - même au-dessus de l'océan ouvert, où la concentration de gaz précurseurs devrait être faible. Image reproduite avec l'aimable autorisation de l'installation utilisateur de mesure du rayonnement atmosphérique (ARM) du département américain de l'Énergie. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
De nouveaux résultats d'une étude atmosphérique au-dessus de l'Atlantique Nord-Est révèlent que de minuscules particules d'aérosol qui ensemencent la formation de nuages peuvent se former à partir du néant au-dessus de l'océan. Cette "nouvelle formation de particules" se produit lorsque la lumière du soleil réagit avec des molécules de gaz traces dans la couche limite marine, l'atmosphère à environ le premier kilomètre au-dessus de la surface de la Terre. Les résultats, publié dans la revue Communication Nature , améliorera la façon dont les aérosols et les nuages sont représentés dans les modèles qui décrivent le climat de la Terre afin que les scientifiques puissent comprendre comment les particules - et les processus qui les contrôlent - ont pu affecter le passé et le présent de la planète, et faire de meilleures prédictions sur l'avenir.
"Quand on dit 'nouvelle formation de particules, ' nous parlons de molécules de gaz individuelles, parfois juste quelques atomes en taille, réagir avec la lumière du soleil, " a déclaré le co-auteur de l'étude Chongai Kuang, membre du Département des sciences de l'environnement et du climat du Brookhaven National Laboratory du Département de l'énergie des États-Unis. "Il est intéressant de penser à la façon dont quelque chose de cette ampleur peut avoir un tel impact sur notre climat - sur la quantité d'énergie réfléchie ou piégée dans notre atmosphère, " il a dit.
Mais modéliser les détails de la formation et de la croissance des particules d'aérosol, et comment les molécules d'eau se condensent sur elles pour devenir des gouttelettes et des nuages, tout en tenant compte des différentes propriétés des aérosols (par exemple, leur taille, numéro, et distribution spatiale) affectent ces processus est extrêmement complexe, surtout si vous ne savez pas d'où viennent tous les aérosols. Ainsi, une équipe de scientifiques de Brookhaven et de collaborateurs de la recherche atmosphérique du monde entier a entrepris de collecter des données dans un environnement océanique relativement vierge. Dans ce cadre, ils s'attendaient à ce que la concentration de gaz traces soit faible et que la formation de nuages soit particulièrement sensible aux propriétés des aérosols, un « laboratoire » idéal pour démêler les interactions complexes.
"C'était une expérience qui a vraiment tiré parti de l'expertise large et collaborative à Brookhaven dans les observations d'aérosols et d'observations de nuages, ", a déclaré Kuang. Trois des chercheurs principaux, les auteurs principaux Guangjie Zheng et Yang Wang, et Jian Wang, chercheur principal de la campagne Aerosol and Cloud Experiments in the Eastern North Atlantic (ACE-ENA).
Terre et mer
L'étude a utilisé une station d'échantillonnage au sol à long terme sur l'île de Graciosa aux Açores (un archipel à 850 milles à l'ouest du Portugal continental) et un avion Gulfstream-1 équipé de 55 systèmes d'instruments atmosphériques pour prendre des mesures à différentes altitudes au cours de la île et en mer. La station au sol et l'avion appartiennent tous deux à l'installation utilisateur de mesure du rayonnement atmosphérique (ARM) du DOE Office of Science, géré et exploité par un consortium de neuf laboratoires nationaux du DOE.
L'équipe a fait voler l'avion sur des « vols de marsouins, " ascendant et descendant à travers la couche limite pour obtenir des profils verticaux des particules et des molécules de gaz précurseur présentes à différentes altitudes. Et ils ont coordonné ces vols avec des mesures prises depuis la station au sol.
Le scientifique atmosphérique de Brookhaven Lab Chongai Kuang (au centre) avec Art Sedlacek (à gauche) et Stephen Springston (à droite) à bord de l'avion Gulfstream-159 (G-1) d'ARM lors d'une mission d'échantillonnage atmosphérique en 2010 qui ne faisait pas partie de cette étude. Crédit :Installation utilisateur de mesure du rayonnement atmosphérique (ARM) du Département de l'énergie des États-Unis.
Les scientifiques ne s'attendaient pas à ce que de nouvelles particules se forment dans la couche limite de cet environnement, car ils s'attendaient à ce que la concentration des gaz précurseurs critiques à l'état de traces soit trop faible.
"Mais il y avait des particules que nous avons mesurées à la surface qui étaient plus grosses que les particules nouvellement formées, et nous ne savions tout simplement pas d'où ils venaient, ", a déclaré Kuang.
Les mesures de l'avion leur ont donné leur réponse.
"Cet avion avait des schémas de vol très spécifiques lors de la campagne de mesure, " a déclaré Kuang. " Ils ont vu des preuves que la formation de nouvelles particules se produisait en altitude - pas à la surface mais dans la couche limite supérieure. " Les preuves comprenaient une combinaison de concentrations élevées de petites particules, de faibles concentrations de surface d'aérosol préexistante, et des signes clairs que des gaz traces réactifs tels que le sulfure de diméthyle étaient transportés verticalement, ainsi que des conditions atmosphériques favorables à la réaction de ces gaz avec la lumière du soleil.
"Puis, une fois ces particules d'aérosol formées, ils attirent des molécules de gaz supplémentaires, qui se condensent et font croître les particules jusqu'à environ 80-90 nanomètres de diamètre. Ces particules plus grosses sont ensuite transportées vers le bas - et c'est ce que nous mesurons à la surface, ", a déclaré Kuang.
"Les mesures de surface ainsi que les mesures de l'avion nous donnent une très bonne idée spatiale des processus d'aérosols qui se produisent, " il a noté.
A une certaine taille, les particules grossissent suffisamment pour attirer la vapeur d'eau, qui se condense pour former des gouttelettes de nuages, et éventuellement des nuages.
Les particules d'aérosol individuelles en suspension dans l'atmosphère et les nuages qu'elles finissent par former peuvent refléter et/ou absorber la lumière du soleil et affecter la température de la Terre, Kuang a expliqué.
À l'aide d'un avion équipé de 55 systèmes d'instruments atmosphériques, les scientifiques ont parcouru des pistes horizontales au-dessus et à travers les nuages et ont descendu en spirale à travers les couches atmosphériques pour fournir des mesures détaillées des aérosols et des propriétés des nuages. Les données de l'avion ont été complétées par des mesures effectuées par des radars au sol et d'autres instruments. Crédit :Installation utilisateur de mesure du rayonnement atmosphérique (ARM) du Département de l'énergie des États-Unis.
Implications de l'étude
Alors maintenant que les scientifiques savent que de nouvelles particules d'aérosol se forment au-dessus de l'océan, que peuvent-ils faire avec ces informations ?
"Nous prendrons cette connaissance de ce qui se passe et nous assurerons que ce processus est capturé dans les simulations du système climatique de la Terre, ", a déclaré Kuang.
Autre question importante :« Si c'est un environnement si propre, alors d'où viennent tous ces gaz précurseurs ?", a demandé Kuang. "Il y a des gaz précurseurs importants générés par l'activité biologique dans l'océan (par exemple, sulfure de diméthyle) qui peuvent également conduire à la formation de nouvelles particules. Cela peut être une belle étude de suivi de celle-ci – explorer ces sources. »
Comprendre le devenir des gaz biogènes comme le sulfure de diméthyle, qui est une source très importante de soufre dans l'atmosphère, est essentiel pour améliorer la capacité des scientifiques à prédire comment les changements dans la productivité des océans affecteront la formation des aérosols et, par extension, climat.
