Dans un article publié ce jour dans la revue Nature, la collaboration CLOUD du CERN rapporte que les émissions naturelles générées par le phytoplancton produisent bien davantage de particules d’aérosols qu’on ne le pensait jusqu’à présent. Cette découverte modifie notre compréhension des aérosols et des nuages dans des climats à l’atmosphère pure, tels qu’ils existaient avant l’ère industrielle et tels qu’ils pourraient exister dans un monde post-énergies fossiles.

Les gouttelettes constituant les nuages se forment à partir de particules d’aérosols – de très fines particules solides ou liquides en suspension dans l’atmosphère – d’un diamètre supérieur à 50 nm environ, appelées « noyaux de condensation de nuage ». La présence renforcée de ces particules contribue à refroidir le climat, en réfléchissant la lumière du soleil et en favorisant la formation de gouttelettes de nuage plus petites, mais plus nombreuses. Résultat : des nuages plus brillants et une couverture nuageuse plus étendue. On estime que l’augmentation des aérosols issus des activités humaines a permis d’atténuer une part significative du réchauffement dû aux gaz à effet de serre.

Plus de la moitié des noyaux de condensation présents dans l’atmosphère proviennent de la condensation spontanée de vapeurs à l’état de traces – un processus appelé nucléation, ou formation de nouvelles particules. La vapeur qui jouerait le plus grand rôle dans la nucléation serait l’acide sulfurique, qui provient en grande partie du dioxyde de soufre issu des combustibles fossiles. Sous l’effet des politiques de réduction des émissions, les concentrations de dioxyde de soufre dans l’atmosphère – qui contribuent à la formation d’aérosols d’origine humaine – sont aujourd’hui en baisse. Si cette évolution est bénéfique pour la santé humaine, la réduction du nombre de noyaux de condensation devrait néanmoins contribuer à un accroissement du réchauffement climatique d’ici la fin du siècle, les concentrations d’aérosols dans l’atmosphère, en provenance alors seulement de sources biogènes, revenant à des niveaux proches de ceux d’avant l’ère industrielle.

« Aujourd’hui, la plupart des modèles climatiques ne tiennent compte que de la nucléation liée à l’acide sulfurique, explique Jasper Kirkby, porte-parole de la collaboration CLOUD. Il est pourtant essentiel de mieux comprendre les sources biogènes et de les prendre correctement en compte afin de prévoir de manière fiable le climat et la qualité de l’air de demain. Des observations réalisées au-dessus de l’océan Austral ainsi que dans la haute troposphère au-dessus des océans Atlantique et Pacifique montrent qu’une importante source de particules d’aérosols marins échappe encore aux modèles actuels. » 

Longtemps restée inexpliquée, cette source pourrait désormais être mieux comprise grâce aux nouveaux résultats de CLOUD. Le phytoplancton marin émet du diméthylsulfure, qui représente environ 20 % du soufre présent dans l’atmosphère. Le diméthylsulfure s’oxyde en plusieurs composés, parmi lesquels l’acide sulfurique et l’acide méthanesulfonique, présents en concentrations comparables. Si le rôle de l’acide sulfurique dans la formation de nouvelles particules est bien établi, celui de l’acide méthanesulfonique est longtemps resté mal compris.

En s’appuyant à la fois sur des expériences fondamentales et sur des modèles, la collaboration CLOUD, constituée d’une équipe internationale de chercheurs, a étudié la formation de nouvelles particules à partir de l’acide méthanesulfonique et de mélanges d’acide sulfurique et d’acide méthanesulfonique, en présence d’ammoniac, à des températures comprises entre +10 °C et −50 °C. Elle a montré qu’en dessous de −10 °C, l’acide méthanesulfonique est aussi efficace que l’acide sulfurique pour former de nouvelles particules en présence d’ammoniac, et que ces deux types de vapeurs acides se mélangent facilement et agissent en synergie pour favoriser ce phénomène. De plus, à des températures inférieures à +10 °C, l’acide méthanesulfonique favorise une croissance rapide des particules, même lorsque l’ammoniac est quasi absent, ce qui favorise la survie de ces particules et leur transformation en noyaux de condensation.

« L’acide méthanesulfonique et l’acide sulfurique étant généralement présents en quantités comparables dans les régions marines froides, nos résultats tendent à montrer que la formation de nouvelles particules pourrait être jusqu’à dix fois plus rapide, et leur croissance jusqu’à deux fois plus rapide qu’en présence d’acide sulfurique et d’ammoniac seuls, ajoute Jasper Kirkby. D’après nos simulations, la formation de nouvelles particules due à l’acide méthanesulfonique pourrait constituer en grande partie la source inexpliquée de particules d’aérosols marins dans les modèles actuels. »

Combinée aux précédents résultats de CLOUD, qui avaient mis en évidence une formation abondante de nouvelles particules liée à l’isoprène dans la haute troposphère au-dessus des forêts tropicales, cette découverte du rôle de l’acide méthanesulfonique dans la formation des noyaux de condensation des nuages marins tend à indiquer que la biosphère pourrait contribuer davantage qu’on ne le pensait à atténuer en partie les effets de la diminution des aérosols d’origine humaine, ainsi que le réchauffement supplémentaire attendu d’ici la fin du siècle, à mesure que diminuent les concentrations de dioxyde de soufre sous l’effet des politiques de réduction des émissions.

« La collaboration CLOUD a fait progresser notablement notre compréhension du climat, déclare Gautier Hamel de Monchenault, directeur de la recherche et du calcul scientifique. Mieux comprendre les aérosols est essentiel : l’augmentation de la part de noyaux de condensation d’origine biogène aura un effet tant sur les estimations de la sensibilité du climat terrestre que sur les projections du réchauffement climatique. »