E8 Aérosols et chimie physique atmosphérique

Topique

Les aérosols atmosphériques sont des particules solides ou liquides en suspension dans l'air, dont la taille varie d'un seul nanomètre de rayon à cent micromètres, une gamme qui s'étend des particules presque moléculaires aux grains de poussière visibles à l'œil nu. Ces aérosols atmosphériques proviennent de sources très différentes : la combustion libère du carbone noir et de la poussière, l'évaporation de la mer libère du sel marin, la végétation libère des composés organiques volatils qui deviennent plus tard des particules, les éruptions volcaniques injectent leurs propres aérosols et l'air lui-même peut générer de nouveaux aérosols lorsque le gaz se condense directement en minuscules particules, sans passer par aucune source solide ou liquide préalable. Tous ces aérosols atmosphériques affectent le climat de deux manières différentes : directement, en absorbant et en dispersant eux-mêmes les rayonnements, et indirectement, en agissant comme des noyaux de condensation et modifiant ainsi les propriétés des nuages ​​qui se forment autour d'eux.

L'effet direct des aérosols atmosphériques sur le rayonnement est décrit par le forçage radiatif direct, et ce forçage change de signe en fonction du type d'aérosol : les aérosols sulfatés diffusent le rayonnement solaire vers l'espace, et cette diffusion produit un refroidissement ; Le carbone noir, quant à lui, absorbe le rayonnement solaire au lieu de le disperser, et cette absorption chauffe la couche d'atmosphère où flotte le carbone noir, mais en même temps, il élimine la lumière du soleil de la surface située en dessous, de sorte que le carbone noir finit par refroidir la surface tout en chauffant l'air au-dessus.

L'effet indirect des aérosols atmosphériques, connu sous le nom d'effet Twomey, suit une chaîne différente : plus il y a de noyaux de condensation disponibles dans l'air, plus de gouttelettes se forment dans le nuage, mais chacune de ces gouttelettes est plus petite, car la même quantité d'eau disponible est répartie entre un plus grand nombre de gouttelettes. Ces gouttelettes plus petites et plus nombreuses donnent au nuage un albédo plus élevé, car un nuage composé de nombreuses petites gouttelettes reflète plus de rayonnement solaire qu'un nuage composé de quelques grosses gouttelettes, et elles donnent également au nuage une durée de vie plus longue, car les petites gouttelettes mettent plus de temps à se développer suffisamment pour tomber sous forme de pluie. Le résultat net de toute cette chaîne est un forçage négatif : davantage de noyaux de condensation finissent, par cette voie indirecte, à refroidir la planète.

Au-dessus de l'endroit où flottent la plupart de ces aérosols atmosphériques, dans la stratosphère, se produit une chimie différente qui dépend également du rayonnement solaire : la chimie de l'ozone stratosphérique. L'ozone stratosphérique est produit par photolyse, c'est-à-dire lorsque la lumière du soleil décompose les molécules d'oxygène et que les atomes qui en résultent se recombinent pour former de l'ozone, dans ce que l'on appelle le cycle de Chapman ; et ce même ozone est détruit de manière catalytique lorsqu'il réagit avec des composés réactifs de chlore et de brome, avec des oxydes d'azote et avec des oxydes d'hydrogène, dont chacun peut détruire de nombreuses molécules d'ozone sans se consumer dans le processus.

Le trou d’ozone de l’Antarctique est le cas le plus extrême de cette destruction catalytique : là, à la surface des nuages ​​stratosphériques polaires qui se forment dans le froid profond de l’hiver antarctique, des réservoirs de chlore qui autrement resteraient inertes sont activés, et ces réservoirs de chlore activés détruisent en masse l’ozone stratosphérique dès que la lumière du soleil revient du printemps polaire. Ainsi, les aérosols atmosphériques et la chimie de l'ozone stratosphérique finissent par partager le même scénario, l'atmosphère éclairée par le Soleil, bien que chacun réagisse à cette lumière de manière différente : les aérosols atmosphériques se dispersent, absorbent ou ensemencent des nuages, et l'ozone stratosphérique se forme et se détruit en fonction des composés réactifs qu'il trouve sur son passage.

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