Aerosol hygroscopicity and photodegradation in the polluted Indo-Gangetic Plain compared with the clean Himalayas examined using a quartz crystal microbalance

L'air que nous respirons n'est jamais vraiment vide. Il est rempli de minuscules particules flottantes de poussière, de suie et de sel, appelées aérosols. Ces grains microscopiques jouent un rôle massif dans le climat de notre planète. Ils peuvent refroidir la Terre en réfléchissant la lumière du soleil vers l'espace, ou la réchauffer en absorbant la chaleur. Plus important encore, ils agissent comme les germes sur lesquels les nuages se forment. Sans ces particules, la vapeur d'eau dans l'atmosphère peinerait à se condenser en gouttes de pluie ou en cristaux de glace. Cependant, le comportement de ces particules n'est pas fixe ; il change selon leur composition et la quantité d'humidité présente dans l'air qui les entoure. Lorsque l'air est humide, certaines particules absorbent l'eau et gonflent, tandis que d'autres restent sèches. Cette capacité à attirer et à retenir l'eau, appelée hygroscopie, détermine la taille que prennent les particules, la durée pendant laquelle elles restent dans le ciel et leur efficacité à se transformer en nuages. Comprendre ces changements subtils est crucial pour prédire les modèles météorologiques et modéliser les futurs changements climatiques, pourtant, les règles exactes régissant le comportement des différents types de pollution dans l'air humide demeurent un mystère.

Pour résoudre une partie de ce mystère, une équipe de chercheurs s'est rendue dans deux coins radicalement différents de l'Inde pour comparer l'air qu'ils y trouvent. Un lieu était Leh, un désert de haute altitude dans l'Himalaya, où l'air est fin, froid et remarquablement pur. L'autre était Delhi, une mégapole tentaculaire et densément peuplée de la plaine de l'Indo-Gange, connue pour sa brume épaisse et sa pollution intense. Les scientifiques voulaient voir comment les minuscules particules de ces deux mondes réagissaient lorsqu'elles étaient exposées à l'humidité et à la lumière du soleil. Ils ont collecté des échantillons de poussière fine, spécifiquement des particules plus petites que 2,5 micromètres, et les ont apportés dans un laboratoire pour les tester dans des conditions contrôlées. En utilisant un instrument de haute précision appelé microbalance à quartz, capable de détecter des changements de masse aussi petits que quelques nanogrammes, ils ont observé comment les particules croissaient à mesure que l'humidité augmentait et comment elles rétrécissaient lorsqu'elles étaient exposées aux ultraviolets.

Les résultats ont révélé un contraste frappant entre les deux environnements. Les particules provenant de l'air pur de l'Himalaya se comportaient de manière très prévisible et cristalline. À mesure que l'humidité augmentait, elles restaient solides jusqu'à ce que l'air atteigne un point spécifique, environ 68 % d'humidité. À cet instant précis, elles absorbaient soudainement une bouffée d'eau et se dissolvaient en gouttelettes liquides, un processus appelé déliquescence. Cette transition nette est typique des particules composées principalement de sels et de composés organiques hautement solubles. En fait, ces particules de l'Himalaya étaient très enclines à saisir l'eau, montrant une forte tendance à croître lorsque l'air devenait plus humide. Elles contenaient également des composants facilement décomposés par la lumière du soleil. Lorsque les chercheurs ont projeté de la lumière ultraviolette sur elles, une partie significative de la masse de la particule s'est évaporée, suggérant que la matière organique dans l'air pur de la montagne était chimiquement active et sujette à l'effacement sous le soleil.

En contraste total, les particules de la ville polluée de Delhi refusaient de se comporter de la même manière ordonnée. Même lorsque l'humidité grimpait à 86 %, le niveau le plus élevé que l'expérience pouvait atteindre en toute sécurité, ces particules ne montraient jamais cette transition soudaine et nette de l'état solide à l'état liquide. Au lieu de cela, elles semblaient rester dans un état amorphe et collant, absorbant l'eau de manière très lente et graduelle. Elles étaient beaucoup moins enclines à absorber l'eau que leurs homologues de l'Himalaya. Les chercheurs ont découvert que les particules de Delhi étaient probablement recouvertes de composés organiques complexes et moins solubles, provenant possiblement des gaz d'échappement des véhicules et de la combustion de combustibles solides, ce qui empêchait leur dissolution propre. De plus, ces particules urbaines étaient beaucoup plus résistantes à la lumière du soleil. Lorsqu'elles étaient exposées au même rayonnement ultraviolet, elles perdaient beaucoup moins de masse que les particules de la montagne, indiquant que leur composition chimique était plus stable et plus difficile à décomposer.

Ces découvertes soulignent que la source de la pollution importe tout autant que la quantité de pollution. L'air de l'Himalaya, bien qu'éloigné des grandes villes, transporte des particules vieillies qui ont voyagé sur de longues distances et se sont transformées en un mélange de sels solubles et d'organiques réactifs. L'air de Delhi, cependant, est dominé par des émissions fraîches, générées localement, qui créent un revêtement collant et hydrophobe sur les particules. Cette différence de composition chimique modifie la façon dont les particules interagissent avec l'atmosphère. Les particules propres de la montagne sont plus susceptibles de gonfler avec l'eau et potentiellement de semer des nuages, tandis que les particules sales de la ville pourraient rester plus petites et plus sèches, altérant ainsi leur impact sur la lumière solaire et les précipitations. L'étude souligne également que l'histoire de l'air, y compris la durée pendant laquelle les particules ont été exposées à la lumière du soleil et à l'humidité, façonne leurs propriétés physiques.

En mesurant directement ces comportements, les chercheurs ont fourni une image plus claire du fonctionnement des aérosols dans deux régions critiques du sous-continent indien. Les données suggèrent que les modèles utilisés pour prédire le climat et la météo doivent tenir compte de ces différences chimiques spécifiques. Traiter toutes les particules comme si elles réagissaient de la même manière à l'humidité ou à la lumière du soleil conduirait à des prévisions inexactes. L'étude confirme que la fraction organique de l'air, qu'elle provienne de sources naturelles dans les montagnes ou de l'activité humaine dans les villes, joue un rôle décisif dans la détermination de la capacité d'une particule à croître, à rétrécir ou à se dissoudre. Alors que le climat change et que les modèles de pollution évoluent, la compréhension de ces interactions microscopiques devient de plus en plus vitale pour appréhender l'avenir de notre atmosphère.