Dans le cadre du projet international CLOUD au CERN, des chercheurs du PSI ont découvert que les sesquiterpènes, les hydrocarbures gazeux libérés par les plantes, sont un facteur majeur dans la formation des nuages. Cette découverte pourrait réduire l’incertitude des modèles climatiques et aider à faire des prévisions plus précises. La recherche a maintenant été publiée dans la revue Science Advances.
Selon les dernières projections du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC), d'ici 2100, le climat mondial sera de 1,5 à 4,4 degrés Celsius plus chaud que les niveaux préindustriels. Ce chiffre repose sur différents scénarios hypothétiques décrivant l’évolution future des émissions anthropiques de gaz à effet de serre. Ainsi, dans le meilleur des cas, si nous parvenons à contrôler les émissions rapidement et complètement, nous pouvons toujours atteindre l’objectif de 1,5 degré Celsius fixé dans l’Accord de Paris. Dans le pire des cas, nous dépasserons largement cet objectif.
Cependant, il existe également un certain degré d'incertitude dans cette prédiction. Par exemple, dans le pire des cas, si les émissions continuent d’augmenter fortement, la hausse de la température pourrait être aussi faible que 3,3 degrés Celsius ou aussi élevée que 5,7 degrés Celsius au lieu de 4,4 degrés Celsius.
Ces incertitudes dans la prévision de la manière dont l'évolution spécifique des émissions de gaz à effet de serre entraînera une modification des températures sont en grande partie dues au fait que les scientifiques ne comprennent pas encore pleinement tous les processus qui se produisent dans l'atmosphère - les interactions entre les divers gaz et aérosols dans l'atmosphère. Des chercheurs atmosphériques du centre de recherche nucléaire du CERN à Genève ont lancé un projet collaboratif international, le projet CLOUD (Cosmic Droplets Leaving Outdoors), qui vise à établir ces processus. Le PSI a contribué à la construction de la chambre d'essai CLOUD et est membre du comité de pilotage du projet.
Le mystère de la formation des nuages
La manière dont les nuages se formeront à l'avenir, en particulier, reste en grande partie un mystère. Cependant, il s'agit d'un facteur clé dans la prévision du climat, car davantage de nuages reflètent davantage de rayonnement solaire, refroidissant ainsi la surface de la Terre.
Pour former les gouttelettes d'eau qui composent les nuages, la vapeur d'eau a besoin de noyaux de condensation, qui sont des particules solides ou liquides sur lesquelles elle peut se condenser. Ces particules sont fournies par divers aérosols, qui sont de minuscules particules solides ou liquides mesurant entre 0,1 et 10 microns de diamètre, produites et rejetées dans l'air par la nature et les activités humaines. Ces particules comprennent le sel de l'océan, le sable des déserts, les polluants de l'industrie et de la circulation, ou encore les particules de fumée provenant des incendies.
Cependant, environ la moitié de tous les noyaux de condensation se forment en réalité lorsque différentes molécules gazeuses présentes dans l'air se combinent pour former un solide, un phénomène que les experts appellent « nucléation » ou « formation de nouvelles particules » (NPF). Au début, ces particules sont très petites, de seulement quelques nanomètres, mais au fil du temps, elles grandissent grâce à la condensation de molécules gazeuses et deviennent ensuite des noyaux de condensation.
Gaz à effet de serre que vous pouvez sentir
Le principal gaz anthropique à l'origine de la formation de particules est le dioxyde de soufre sous forme d'acide sulfurique, provenant principalement de la combustion du charbon et du pétrole. Les plus importants de ces gaz naturels sont les isooléfines, les monoterpènes et les sesquiterpènes. Ce sont des hydrocarbures rejetés essentiellement par la végétation. Ce sont les principaux composants des huiles essentielles, que l’on sent lorsque l’on tond le gazon ou que l’on se promène dans les bois, par exemple. Lorsque ces substances s’oxydent, c’est-à-dire réagissent avec l’ozone, elles forment des aérosols dans l’air.
Lubna Dada, spécialiste de l'atmosphère au PSI, a déclaré : « Il convient de noter que la concentration de dioxyde de soufre dans l'air a considérablement diminué ces dernières années et continuera de baisser en raison d'une législation environnementale plus stricte. D'autre part, la concentration de terpènes augmente en raison de la croissance des plantes. dominent, provoquant plus ou moins de formation de nuages. Pour répondre à cette question, il faut savoir comment chacune de ces substances contribue à la formation de nouvelles particules. On sait déjà beaucoup de choses sur l'acide sulfurique, et le rôle des monoterpènes et de l'isoprène est désormais mieux compris, grâce à des mesures sur le terrain et à des expériences en laboratoire comme CLOUD, à laquelle participe le PSI.
Les sesquiterpènes sont rares mais puissants
"Jusqu'à présent, les sesquiterpènes n'ont pas fait l'objet de recherches." Dada explique : « C'est parce qu'ils sont difficiles à mesurer. D'abord, parce qu'ils réagissent très rapidement avec l'ozone, et deuxièmement, parce qu'ils apparaissent beaucoup moins fréquemment que d'autres substances. »
Environ 465 millions de tonnes d'isoprène et 91 millions de tonnes de monoterpènes sont rejetées sur terre chaque année, tandis que les sesquiterpènes ne représentent que 24 millions de tonnes. Néanmoins, ces composés jouent un rôle important dans la formation des nuages. Selon les mesures, ils forment dix fois plus de particules que les deux autres substances organiques à même concentration.
Pour déterminer cela, Dada et ses collaborateurs ont utilisé l'unique laboratoire CLOUD du Centre européen de recherche nucléaire (CERN). La chambre d'essai est une pièce étanche qui simule différentes conditions atmosphériques. Cette chambre climatique fait près de 30 mètres cubes et est la plus pure du genre au monde. La pureté est si élevée que les sesquiterpènes peuvent être étudiés même aux très faibles concentrations enregistrées dans l'atmosphère.
C’est exactement le but de cette étude. Cette étude visait à simuler la formation de particules biologiques dans l'atmosphère. Plus précisément, les chercheurs souhaitaient étudier l’ère préindustrielle, lorsqu’il n’y avait pas d’émissions anthropiques de dioxyde de soufre. Cela permettra de déterminer et de prévoir plus clairement les impacts des activités humaines pour l’avenir. Cependant, les émissions de dioxyde de soufre d’origine humaine sont depuis longtemps omniprésentes dans la nature. C'est une autre raison pour laquelle seules les chambres à nuages sont réalisables. Il peut également produire des mélanges préindustriels dans des conditions contrôlées.
Les particules persistantes apportent plus de nuages
Les expériences ont montré que l'oxydation de mélanges naturels d'isoprène, de monoterpènes et de sesquiterpènes dans l'air pur produit un grand nombre de composés organiques, appelés ULVOC (ultra-low volatile organique composés). Comme leur nom l’indique, ces composés organiques sont peu volatils et donc très efficaces pour former des particules qui grossissent avec le temps et deviennent des noyaux de condensation. L'effet spectaculaire des sesquiterpènes est devenu évident lorsque les chercheurs les ont ajoutés à une suspension contenant uniquement des isopentènes et des monoterpènes. Même l’ajout de seulement 2 % a doublé le taux de formation de nouvelles particules. Cela peut s'expliquer par le fait que les molécules de sesquiterpènes sont composées de 15 atomes de carbone, tandis que les monoterpènes n'ont que 10 atomes de carbone et les isopentènes n'en ont que 5.
D'une part, cette étude révèle une autre manière dont la végétation affecte le temps et le climat. Mais plus important encore, les résultats suggèrent que les sesquiterpènes devraient être inclus en tant que facteur distinct dans les futurs modèles climatiques, aux côtés des isopentènes et des monoterpènes, afin de rendre leurs prévisions plus précises. Compte tenu notamment de la réduction des concentrations de dioxyde de soufre dans l’atmosphère et de l’augmentation simultanée des émissions biologiques dues au stress climatique, cela signifie que ces dernières auront probablement un impact croissant sur le climat futur. Toutefois, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour améliorer encore les prévisions de la formation des nuages. Le Laboratoire de Chimie Atmosphérique envisage déjà ces études.
Imad El-Haddad, chef du groupe de recherche sur les processus moléculaires atmosphériques, a déclaré : « Ensuite, nous et nos partenaires CLOUD souhaitons étudier ce qui s'est exactement passé pendant l'industrialisation, lorsque l'atmosphère naturelle était de plus en plus mélangée à des gaz anthropiques tels que le dioxyde de soufre, l'ammoniac et d'autres composés organiques anthropiques. »