Les résultats pourraient combler les lacunes de la recherche sur le changement climatique et l’atmosphère au-delà des régions tropicales.
Selon une nouvelle étude menée par des scientifiques du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), les gaz dérivés du feuillage des plantes génèrent un phénomène atmosphérique jusqu’alors inconnu au-dessus de la forêt amazonienne. Cette découverte a des implications importantes pour la science atmosphérique et la modélisation du changement climatique.
“La forêt tropicale amazonienne constitue les poumons de la Terre, et cette étude relie les processus naturels de la forêt aux aérosols, aux nuages et à l’équilibre radiatif de la Terre d’une manière qui n’avait pas été reconnue auparavant”, a déclaré Manish Shrivastava, spécialiste des sciences de la Terre au PNNL et chercheur principal de l’étude.
La recherche a été récemment publiée dans le journal ACS Earth and Space Chemistry (Chimie de la Terre et de l’Espace).
Manish Shrivastava, spécialiste des sciences de la Terre au PNNL, et son équipe ont identifié un processus atmosphérique qui crée un type de particule fine au-dessus de la forêt amazonienne. Grâce à ce processus, les gaz semi-volatils, qui sont des composés chimiques naturels à base de carbone pouvant facilement se condenser pour former des particules fines dans la haute atmosphère, sont émis dans toute la forêt amazonienne par des processus chimiques internes et de surface jusqu’alors non reconnus. Crédit : Illustration de Nathan Johnson Pacific Northwest National Laboratory
Combler le manque de données
Shrivastava et ses collègues étudiaient les particules fines dans la haute atmosphère lorsqu’ils ont observé une différence significative entre leurs résultats et ce qui aurait été attendu sur la base des estimations des modèles atmosphériques existants. Une enquête plus approfondie a révélé que des interactions clés entre la forêt et l’atmosphère étaient absentes des modèles atmosphériques actuels qui régissent le nombre de particules fines dans la haute atmosphère.
Les chercheurs ont découvert un processus jusqu’alors méconnu impliquant des gaz semi-volatils produits par les plantes de la forêt amazonienne et transportés dans la haute atmosphère par les nuages. Ces gaz sont des composés chimiques naturels à base de carbone qui se condensent facilement dans la haute atmosphère pour créer de fines particules. Shrivastava affirme que cette méthode est particulièrement efficace pour produire des particules fines à haute altitude et à basse température. Ces particules fines refroidissent la terre en réduisant la quantité de lumière solaire qui l’atteint. Elles produisent également des nuages, qui influencent les précipitations et le cycle de l’eau.
“Sans une compréhension complète de la source semi-volatile des gaz organiques, nous ne pouvons tout simplement pas expliquer la présence et le rôle des composants clés des particules à haute altitude”, a déclaré Shrivastava.
Découverte cruciale dans les processus atmosphériques
Le projet de recherche de Shrivastava, financé par une bourse de recherche en début de carrière du Département de l’énergie (DOE), consistait à étudier la formation de particules d’aérosol connues sous le nom d’aérosols organiques secondaires d’isoprène-époxydiol (IEPOX-SOA), qui sont mesurées par des avions volant à différentes altitudes.
Les IEPOX-SOA sont des éléments constitutifs essentiels des particules fines que l’on trouve à toutes les altitudes de la troposphère – la région de l’atmosphère qui s’étend de la surface de la Terre à environ 20 kilomètres d’altitude au-dessus des régions tropicales. Cependant, les modèles atmosphériques ne tenaient pas suffisamment compte de ces particules et de leur influence sur les nuages à haute altitude.
“Comme les modèles ne permettaient pas de prédire les charges IEPOX-SOA observées à des altitudes de 10 à 14 kilomètres en Amazonie, nous obtenions ce que je croyais être soit des défaillances du modèle, soit un manque de compréhension des mesures”, a déclaré Shrivastava. “Je pouvais l’expliquer à la surface mais je ne pouvais pas l’expliquer à des altitudes plus élevées”.
Les scientifiques de la Terre ont utilisé les données recueillies par des avions de laboratoire volants dans leur découverte d’un processus atmosphérique qui crée un type de particule fine au-dessus de la forêt amazonienne. Crédit : Photo de Jason Tomlinson Département américain de l’énergie Mesure du rayonnement atmosphérique [ARM] installation de l’utilisateur
Shrivastava et son équipe ont examiné les données recueillies par l’avion Grumman Gulfstream-159 (G-1), un laboratoire volant du DOE exploité par l’Atmospheric Radiation Measurement (ARM) Aerial Facility, qui a volé jusqu’à 5 kilomètres d’altitude. L’équipe a également comparé les données recueillies par un avion allemand connu sous le nom de High Altitude and Long Range Research Aircraft, ou HALO, qui est piloté à des altitudes atteignant 14 kilomètres. D’après les projections modélisées, les charges de SOA de l’IEPOX auraient dû être inférieures d’au moins un ordre de grandeur à ce qui a été mesuré,a déclaré Shrivastava. Ni lui, ni ses collègues en dehors du PNNL, n’ont pu expliquer la disparité entre les mesures et les prévisions des modèles.
Avant les recherches de l’équipe, on pensait que les IEPOX-SOA étaient formés principalement par des voies de chimie atmosphérique multiphase impliquant des réactions de l’isoprène en phase gazeuse et des particules contenant de l’eau liquide. Cependant, les voies de chimie atmosphérique nécessaires à la création des IEPOX-SOA ne se produisent pas dans la haute troposphère en raison de ses températures extrêmement froides et de ses conditions sèches. À cette altitude, les particules et les nuages sont gelés et ne contiennent pas d’eau liquide. Les chercheurs n’ont donc pas pu expliquer leur formation observée à 10 à 14 kilomètres d’altitude à l’aide des modèles disponibles.
Pour percer le mystère, les chercheurs ont combiné des mesures spécialisées effectuées par des avions à haute altitude et des simulations détaillées de modèles régionaux réalisées à l’aide des ressources de supercalculateurs du Laboratoire des sciences moléculaires environnementales du PNNL. Leur étude a révélé la composante non découverte des processus atmosphériques. Un gaz semi-volatile, le 2-méthyltétrol, est transporté par les courants ascendants des nuages dans la haute troposphère froide. Le gaz se condense ensuite pour former des particules qui sont détectées comme des IEPOX-SOA par les avions.
“Il s’agit certainement d’une découverte importante, car elle nous aide à comprendre comment ces fines particules se forment, et jette donc une nouvelle lumière sur la façon dont les processus naturels dans la forêt refroidissent la planète et contribuent aux nuages et aux précipitations”, a déclaré Shrivastava. “Parallèlement à un climat mondial changeant et à une déforestation rapide dans de nombreuses régions de l’Amazonie, les humains perturbent les processus naturels clés qui fabriquent les particules fines dans l’atmosphère et modulent le réchauffement climatique.”
Ouvrir les portes à de nouvelles recherches sur l’atmosphère
La découverte de l’équipe ne fait qu’effleurer la surface, a déclaré Shrivastava, dans l’apprentissage de ce nouveau processus atmosphérique et la façon dont il affecte la formation de particules fines dans l’atmosphère. Il a ajouté que le processus végétal récemment identifié pourrait expliquer un large éventail de phénomènes liés aux particules atmosphériques dans d’autres régions boisées du monde.
“Dans l’ensemble, ce n’est que le début de ce que nous savons et cela ouvrira de nouvelles frontières à la recherche sur les interactions entre la terre, l’atmosphère, les aérosols et les nuages”, a-t-il déclaré. “Comprendre comment la forêt produit ces particules pourrait nous aider à comprendre comment la déforestation et le changement climatique affecteront le réchauffement climatique et le cycle de l’eau.”
Référence : “Tight Coupling of Surface and In-Plant Biochemistry and Convection Governs Key Fine Particulate Components over the Amazon Rainforest” par Manish Shrivastava, Quazi Z. Rasool, Bin Zhao, Mega Octaviani, Rahul A. Zaveri, Alla Zelenyuk, Brian Gaudet, Ying Liu, John E. Shilling, Johannes Schneider, Christiane Schulz, Martin Zöger, Scot T. Martin, Jianhuai Ye, Alex Guenther, Rodrigo F. Souza, Manfred Wendisch et Ulrich Pöschl, 12 janvier 2022, ACS Chimie de la Terre et de l’Espace.
DOI: 10.1021/acsearthspacechem.1c00356
Cette recherche a été soutenue par la bourse de début de carrière de Shrivastava du DOE et par le programme Atmospheric System Research du DOE, tous deux du programme de recherche biologique et environnementale de l’Office of Science. Le soutien à la collecte de données à bord de l’avion G-1 a été fourni par ARM, une installation d’utilisateur du DOE Office of Science. Les ressources informatiques pour les simulations ont été fournies par EMSL, également une installation d’utilisateur du DOE Office of Science.
