Les résultats expérimentaux et le modèle de formation de cristaux de glace, décrits dans Science Advances, améliorent la compréhension de la formation des nuages ​​et de leurs effets sur le climat.

STONY BROOK, New York, 2 novembre 2022 – Bien qu’il existe plusieurs sources de particules génératrices de glace dans l’atmosphère, les aérosols d’embruns marins (SSA) sont reconnus comme une source majeure de particules génératrices de glace (INP). Mais de quoi sont faits les SSA, comment ils affectent la formation des nuages ​​et comment ils peuvent à leur tour affecter le climat, reste une question importante et en suspens pour les scientifiques de l’atmosphère. Aujourd’hui, des chercheurs de l’Université de Stony Brook ont ​​mis au point un moyen de simuler la SSA dans des réservoirs de laboratoire qui reflètent les conditions océaniques. Cela leur a permis de déterminer les composés organiques associés et libérés par les micro-organismes marins en croissance, et de découvrir des indices sur le rôle de ces composés en tant qu’INP. Ils ont également étudié la formation de la glace, car il s’agit en soi d’un processus complexe et peut être formé par divers mécanismes. Leurs conclusions sont détaillées dans un article publié dans Progrès de la science.

Les aérosols générés par les vents soufflant sur la surface de l’océan et les bulles forment des aérosols de fines particules de sel recouvertes de composés organiques qui peuvent être transportés dans l’atmosphère où se forment les nuages. Ils font partie de plusieurs autres types de particules, notamment la poussière, la suie et les cendres des incendies de forêt qui contribuent à la formation de glace dans l’atmosphère.

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Les océans couvrent 70% de la planète avec des zones éloignées des continents où les SSA sont les principaux contributeurs aux INP et à la formation de nuages. Pour que les scientifiques puissent prédire la formation des nuages ​​et évaluer leur impact sur le climat, ils doivent d’abord comprendre dans quelles conditions les cristaux de glace peuvent se former à partir de particules provenant de la plus grande source, l’océan.

Daniel Knopf et Josephine Aller au laboratoire de recherche sur les aérosols SoMAS, où ils simulent les aérosols des eaux océaniques qui peuvent initier des cristaux de glace qui affectent la formation des nuages.
Crédit : John Griffin/Université Stony Brook

Auteur correspondant Daniel Knopfprofesseur de chimie atmosphérique et professeur co-auteur Joséphine Aller, océanographe microbien à la School of Marine and Atmospheric Sciences (SoMAS) de l’Université de Stony Brook, et son équipe de recherche ont simulé l’eau de l’océan et généré de la glace en formant des particules de SSA. Ils les ont examinés et ont découvert que les particules de SSA étaient constituées des produits métaboliques de micro-organismes vivant près de la surface de l’océan.

Au laboratoire de recherche sur les aérosols SoMAS à Stony Brook, des particules de SSA ont été produites dans des réservoirs de simulation scellés pour reproduire les conditions océaniques. Les particules en suspension dans l’air produites ont été utilisées pour leurs expériences de formation de nuages. Leurs expériences ont montré que ces particules produisent des cristaux de glace par deux voies distinctes dans des conditions atmosphériques typiques : la glace peut être formée soit par la vapeur d’eau sur les particules de SSA, soit par des gouttelettes de SSA liquide.

« Nos découvertes relient sans équivoque les processus microbiologiques dans les eaux de surface des océans à la formation de nuages », explique Knopf. « L’étude a révélé que les polysaccharides et les protéines libérés par les micro-organismes servent d’agents de nucléation dans les particules de SSA. Ainsi, nous avons pu identifier au niveau des espèces moléculaires la matière organique qui déclenche la nucléation de la glace. »

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L’équipe, a déclaré Knopf, n’a pu faire cette découverte qu’en examinant en détail la composition des particules individuelles à l’aide de la technologie de microscopie à rayons X à la source de lumière synchrotron du Lawrence Berkeley National Laboratory.

« Cette étude identifie non seulement l’agent de nucléation de la glace, mais fournit également la première paramétrisation holistique pour prédire le gel des particules de SSA », ajoute Aller. «Cette nouvelle paramétrisation comprend la congélation par immersion, car l’INP est immergé dans un liquide, généralement de l’eau, et la nucléation de la glace par dépôt où la glace se forme sur l’INP sans eau visible. Notre nouvelle paramétrisation couvre deux scénarios de gel et peut être appliquée à la résolution des nuages ​​et aux modèles climatiques pour évaluer l’impact climatique des nuages ​​contenant des cristaux de glace.

L’Arctique polaire est une région où ce modèle de formation de glace et de nuages ​​peut être utile. Knopf et Aller affirment que le modèle peut aider à limiter les incertitudes en prédisant comment les régions polaires se réchaufferont à l’avenir, une région qui se réchauffe plus rapidement que d’autres régions du monde.

Dans l’ensemble, les auteurs notent que l’application de ces nouveaux résultats du processus de congélation, en combinaison avec des données d’autres études, a conduit à un modèle plus clair pour décrire comment se produit le processus de formation de la glace et comment il peut être prédit en ne connaissant que la température, l’humidité , et la taille des particules SSA.

Cette recherche apparaît comme une enquête multidisciplinaire qui combine l’analyse de la biochimie des organismes microbiens dans les eaux de surface de l’océan avec les processus de formation de nuages ​​froids dans l’atmosphère.

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Le projet a été dirigé par les équipes de recherche Aller et Knopf, impliquant le travail de trois anciens étudiants diplômés de l’Université Stony Brook : Peter Alpert, l’auteur principal et maintenant chercheur à l’Institut Paul-Scherrer en Suisse ; Wendy Kilthau, maintenant au Plum Island Animal Disease Center, et Bingbing Wang, maintenant professeur à l’Université de Xiamen en Chine.

La recherche a été financée en partie par des subventions de la National Science Foundation et du Bureau des sciences, du Bureau de la recherche biologique et environnementale et de la Division des sciences du climat et de l’environnement du Département américain de l’énergie.