La suie crache des moteurs diesel, monte des cuisinières à bois et à fumier et jaillit des cheminées des raffineries de pétrole. Selon des recherches récentes, la pollution de l'air, y compris la suie, est lié à une maladie cardiaque, certains cancers et, aux Etats-Unis, jusqu'à 150, 000 cas de diabète chaque année.

Au-delà de son impact sur la santé, suie, connu sous le nom de carbone noir par les scientifiques de l'atmosphère, est un puissant agent de réchauffement climatique. Il absorbe la lumière du soleil et emprisonne la chaleur dans l'atmosphère avec une magnitude inférieure au fameux dioxyde de carbone. Commentaires récents dans la revue Actes de l'Académie nationale des sciences a qualifié l'absence de consensus sur l'amplitude d'absorption de la suie de "l'un des grands défis de la science du climat atmosphérique".

Rajan Chakrabarty, professeur assistant à la School of Engineering &Applied Science de l'Université de Washington à St. Louis, et William R. Heinson, un boursier postdoctoral de la National Science Foundation dans le laboratoire de Chakrabarty, a relevé ce défi et découvert quelque chose de nouveau sur la suie, ou plutôt, une nouvelle loi qui décrit sa capacité à absorber la lumière :la loi d'absorption de la lumière. Avec ça, les scientifiques pourront mieux comprendre le rôle de la suie dans le changement climatique.

La recherche a été sélectionnée en tant que « suggestion des éditeurs » publiée en ligne le 19 novembre dans la prestigieuse revue Lettres d'examen physique .

En raison de sa capacité à absorber la lumière du soleil et à chauffer directement l'air ambiant, les climatologues intègrent la suie dans leurs modèles – des systèmes informatiques qui tentent de reproduire les conditions du monde réel – puis prédisent les futures tendances de réchauffement. Les scientifiques utilisent des observations du monde réel pour programmer leurs modèles.

Mais il n'y a pas eu de consensus sur la façon d'intégrer l'absorption de la lumière de la suie dans ces modèles. Ils le traitent de manière trop simpliste, utiliser une sphère pour représenter un pur, aérosol de carbone noir.

"Mais la nature est drôle, il a ses propres façons d'ajouter de la complexité, " dit Chakrabarty. " En masse, 80 pour cent de tout le carbone noir que vous trouvez est toujours mélangé. Ce n'est pas parfait, comme les mannequins le traitent."

Les particules sont mélangées, ou enduit, avec des aérosols organiques qui sont émis conjointement avec la suie d'un système de combustion. Il s'avère, le noir de carbone absorbe plus de lumière lorsqu'il est recouvert de ces matières organiques, mais l'amplitude de l'amélioration de l'absorption varie de manière non linéaire en fonction de la quantité de revêtement présent.

Chakrabarty et Heinson voulaient découvrir une relation universelle entre la quantité de revêtement et la capacité de la suie à absorber la lumière.

D'abord, ils ont créé des particules simulées qui ressemblaient à celles trouvées dans la nature, avec divers degrés de revêtement organique. Puis, en utilisant des techniques empruntées au travail de Chakrabarty avec les fractales, l'équipe a effectué des calculs précis, mesurer l'absorption de la lumière dans les particules au fur et à mesure.

Lorsqu'ils ont tracé les amplitudes d'absorption par rapport au pourcentage de revêtement organique, le résultat fut ce que les mathématiciens et les scientifiques appellent une « loi de puissance universelle ». Cela signifie que, à mesure que la quantité de revêtement augmente, l'absorption de la lumière par la suie augmente proportionnellement.

(La longueur et l'aire d'un carré sont liées par une loi de puissance universelle :si vous doublez la longueur des côtés d'un carré, la superficie augmente de quatre. Peu importe la longueur initiale du côté, la relation tiendra toujours.)

Ils se sont ensuite tournés vers les travaux de différents groupes de recherche qui ont mesuré l'absorption de la lumière de suie ambiante à travers le monde, de Houston à Londres à Pékin. Chakrabarty et Heinson ont à nouveau tracé les améliorations d'absorption en fonction du pourcentage de revêtement.

Le résultat était une loi de puissance universelle avec le même rapport d'un tiers que celui trouvé dans leurs expériences simulées.

Avec autant de valeurs différentes pour l'amélioration de l'absorption de la lumière dans la suie, Chakrabarty a déclaré que les modélisateurs climatiques sont confus. « Que diable faisons-nous ? Comment rendons-nous compte de la réalité dans nos modèles ?

"Maintenant tu as l'ordre dans le chaos et une loi, " at-il dit. " Et maintenant vous pouvez l'appliquer d'une manière peu coûteuse en calcul. "

Leurs résultats indiquent également que le réchauffement dû au noir de carbone pourrait avoir été sous-estimé par les modèles climatiques. Supposer une forme sphérique pour ces particules et ne pas tenir compte correctement de l'amélioration de l'absorption de la lumière pourrait entraîner des estimations de chauffage considérablement plus faibles.

Rahul Zaveri, scientifique principal et développeur du modèle d'aérosol complet MOSAIC au Pacific Northwest National Laboratory, appelle les conclusions une avancée significative et opportune.

"Je suis particulièrement enthousiasmé par l'élégance mathématique et l'extrême efficacité de calcul de la nouvelle paramétrisation, " il a dit, « qui peut être assez facilement mis en œuvre dans les modèles climatiques une fois que la paramétrisation d'accompagnement pour la diffusion de la lumière par les particules de carbone noir enrobées est développée. »