L'amplification de la lumière accélère les réactions chimiques dans les aérosols
Séquence temporelle de la réaction photochimique dans des particules d'aérosol individuelles observées à haute résolution
Les aérosols présents dans l'atmosphère réagissent à la lumière solaire incidente. Cette lumière est amplifiée à l'intérieur des gouttelettes et des particules d'aérosol, ce qui accélère les réactions. Les chercheurs de l'ETH ont maintenant pu démontrer et quantifier cet effet et recommandent de le prendre en compte dans les futurs modèles climatiques.
La poussière saharienne qui a coloré le ciel à la mi-mars était composée d'aérosols minéraux. Mais même en dehors de ces événements extrêmes, on trouve dans l'air des aérosols constitués de composés minéraux et organiques.
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Les gouttelettes de liquide et les particules très fines peuvent piéger la lumière - de la même manière que la lumière peut être prise entre deux miroirs. En conséquence, l'intensité de la lumière à l'intérieur de celles-ci est amplifiée. Ce phénomène se produit également dans les très fines gouttelettes d'eau et les particules solides présentes dans notre atmosphère, c'est-à-dire les aérosols. Grâce à la microscopie à rayons X moderne, des chimistes de l'ETH Zurich et de l'Institut Paul Scherrer (PSI) ont étudié comment l'amplification de la lumière affecte les processus photochimiques qui se déroulent dans les aérosols. Ils ont pu démontrer que l'amplification de la lumière rend ces processus chimiques deux à trois fois plus rapides en moyenne qu'ils ne le seraient sans cet effet.
À l'aide de la source lumineuse suisse du PSI, les chercheurs ont étudié des aérosols composés de minuscules particules de citrate de fer(III). L'exposition à la lumière réduit ce composé en citrate de fer(II). La microscopie à rayons X permet de distinguer, à l'intérieur des particules d'aérosol, les zones composées de citrate de fer(III) de celles composées de citrate de fer(II), avec une précision de 25 nanomètres. Les scientifiques ont ainsi pu observer et cartographier en haute résolution la séquence temporelle de cette réaction photochimique dans des particules d'aérosol individuelles.
Décomposition après exposition à la lumière
"Pour nous, le citrate de fer(III) était un composé représentatif facile à étudier avec notre méthode", explique Pablo Corral Arroyo, postdoc dans le groupe dirigé par le professeur de l'ETH Ruth Signorell et auteur principal de l'étude. Le citrate de fer(III) est le substitut de toute une série d'autres composés chimiques qui peuvent être présents dans les aérosols de l'atmosphère. De nombreux composés organiques et inorganiques sont sensibles à la lumière, et lorsqu'ils sont exposés à la lumière, ils peuvent se décomposer en plus petites molécules, qui peuvent être gazeuses et donc s'échapper. "Les particules d'aérosol perdent ainsi de la masse, ce qui modifie leurs propriétés", explique M. Signorell. Entre autres, elles diffusent différemment la lumière du soleil, ce qui affecte les phénomènes météorologiques et climatiques. En outre, leurs caractéristiques en tant que noyaux de condensation dans la formation des nuages changent.
À ce titre, les résultats ont également un effet sur la recherche climatique. "Les modèles informatiques actuels de la chimie atmosphérique globale ne tiennent pas encore compte de cet effet d'amplification de la lumière", explique le professeur Signorell de l'ETH. Les chercheurs suggèrent d'intégrer cet effet dans ces modèles à l'avenir.
Des temps de réaction non uniformes dans les particules
Désormais cartographiée et quantifiée avec précision, l'amplification de la lumière dans les particules est due à des effets de résonance. L'intensité lumineuse est maximale sur le côté de la particule opposé à celui sur lequel la lumière brille. "Dans ce point chaud, les réactions photochimiques sont jusqu'à dix fois plus rapides qu'elles ne le seraient sans l'effet de résonance", explique Corral Arroyo. Si l'on fait la moyenne sur l'ensemble de la particule, cela donne une accélération du facteur deux à trois mentionné plus haut. Les réactions photochimiques dans l'atmosphère durent généralement plusieurs heures, voire plusieurs jours.
En utilisant les données de leur expérience, les chercheurs ont pu créer un modèle informatique pour estimer l'effet sur une série d'autres réactions photochimiques des aérosols typiques dans l'atmosphère. Il s'est avéré que l'effet ne concerne pas seulement les particules de citrate de fer(III), mais tous les aérosols - particules ou gouttelettes - constitués de composés pouvant réagir avec la lumière. Et ces réactions sont également deux à trois fois plus rapides en moyenne.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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