PARAMOUNT: Production de l'aérosol organique en phase nuageuse : étude en laboratoire, en chambre de simulation, mécanisme, modélisation et intégration – PARAMOUNT

Les expériences en « chambre à nuages » sont centrales dans la stratégie PARAMOUNT. Les composés cibles y seront soumis un à un ou en mélange suivant différentes conditions environnementale et d’irradiation. Au-delà de la masse, la partition des organiques en condition nuageuses, l’enrichissement en composés oxydés, l’impact du pH font l’objet d’une attention accrue. En particulier, il s'agit de conjuguer l’approche, déjà originale, en chambre de simulation avec une combinaison très innovante d’instruments (plusieurs spectromètres de masse pour aérosol, plusieurs spectromètre de masse à transfert de protons combinés à des impacteurs virtuels) permettant de suivre non seulement la phase hydrométéore mais aussi l’air interstitiel du nuage. Ces expériences seront ensuite modélisées grâce au modèle CAPRAM lui-même enrichis des résultats cinétiques et mécanistiques des expériences en phase aqueuse. Ce modèle ainsi validé servira de base au transfert vers un modèle 3D.

En plus d’apporter une vérification expérimentale de l’importance de l’aqSOA, PARAMOUNT jete les bases d’une véritable évaluation de son importance atmosphérique. Pour cela deux approches sont menées : la première consiste à conduire des travaux de modélisation 3D afin d’extrapoler les résultats de PARAMOUNT à divers environnements atmosphériques et à diverses échelles.

L'étape a venir consiste en l'établissement d'une plateforme de discussion destinée à l’ensemble de la communauté mondiale de la chimie des nuages (une vingtaine de groupes environ) afin de disséminer nos résultats mais surtout afin de lancer en grand le débat de l’importance atmosphérique de la chimie des nuages quant à la formation d’aérosol organique.

Wu J., Monod A., Cazaunau M., Mertes S., Temime-Roussel B., Pangui E., Poulain L., Berge A., Wen L., Gratien A., Otto T., Brun N., Tilgner A., Herrmann H., Doussin J.F. Direct observation of secondary organic aerosol formation from the photooxidation of glyoxal during cloud condensation-vaporization cycles. European Aerosol Conference. 31
August-4 September 2020 (Oral - virtual conference)

González-Sánchez, J. M., Brun, N., Wu, J., Morin, J., Temime-Rousell, B., Ravier, S., Mouchel-Vallon, C., Clément, J.-L. and Monod, A.: On the importance of atmospheric loss of organic nitrates by aqueous-phase OH-oxidation, Atmos. Chem. Phys., 21, 4915–4937, 2021

Wu J., Brun N., González-Sánchez J.M., R’Mili B.*, Temime Roussel B., Ravier S., Clément J.L., Monod A. Substantial organic impurities at the surface of synthetic ammonium sulfate particles. Atmos. Meas. Tech., 15, 3859–3874, 2022

Brun N., González-Sánchez J.M, Demelas C., Clément J.L., Monod A. A fast and efficient method for the analysis of a-dicarbonyl compounds in aqueous solutions: development and application. Chemosphere, submitted

Barth, M. C., Ervens, B., Herrmann, H., Tilgner, A., McNeill, V. F., Tsui, W. G., et al. (2021). Box model intercomparison of cloud chemistry. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 126, e2021JD035486. doi.org/10.1029/2021JD035486

Tilgner, A., Schaefer, T., Alexander, B., Barth, M., Collett Jr., J. L., Fahey, K. M., Nenes, A., Pye, H. O. T., Herrmann, H., and McNeill, V. F.: Acidity and the multiphase chemistry of atmospheric aqueous particles and clouds, Atmos. Chem. Phys., 21, 13483–13536, 2021

Tilgner et al. SPACCIM modelling of the non-radical aqueous-phase chemistry of organic compounds in clouds and deliquesced aerosols.

On considère aujourd’hui que les processus chimiques nuageux contribuent significativement à la formation de particules d’aérosol organique. Des résultats récents obtenus lors des campagnes de terrain HCCT-2010, d’une part et, d’autre part, des expériences en chambre de simulation atmosphérique suggèrent que cette formation d’aérosol organique secondaire (AOS) peut être importante et qu’elle dépend des concentrations de précurseurs en phase gazeuse. Cependant, de considérables incertitudes subsistent quant à l’étendue réelle de ce processus notamment en ce qui concerne la nature des particules qui en résulte puisqu’il semble qu’elles puissent être métastables et que la matière organique (OM) qu’elles contiennent pourrait se re-volatiliser durant la phase d’évaporation de gouttelettes nuageuses. Le projet PARAMOUNT vise donc à l’étude des processus en phase hydrométéores susceptibles d’affecter le bilan de l’aérosol organique atmosphérique avec une ambition affirmée d’apporter une réponse expérimentale convaincante à la question : l’aérosol organique secondaire d’origine nuageuse (aqSOA) est-il un processus efficace affectant réellement la charge atmosphérique d’AOS. Le projet se concentre sur la chimie d’une sélection de précurseurs polyfonctionnels (carbonylés et acides polyfonctionnels) pertinent pour la chimie atmosphérique des composés secondaires. Ces espèces chimiques seront soumises à une combinaison d’études en phase aqueuse en laboratoire et d’étude intégrée en chambre de simulation reproduisant les cycles d’évapo-condension qui prévalent dans les nuages. Les expériences en phase aqueuse jetteront les bases cinétiques et mécanistiques des processus se produisant dans les gouttelettes alors que les expériences dans la chambre de simulation CESAM se concentreront sur la production de masse d’aérosol organique et sa caractérisation physico-chimique fine. Ces expériences en « chambre à nuages » sont centrales dans la stratégie PARAMOUNT. Les composés cibles y seront soumis un à un ou en mélange suivant différentes conditions environnementale et d’irradiation. Au-delà de la masse, la partition des organiques en condition nuageuses, l’enrichissement en composés oxydés, l’impact du pH ou de la présence de métaux de transition feront l’objet d’une attention accrue. Il est envisagé en particulier de conjuguer l’approche, déjà originale, en chambre de simulation avec une combinaison très innovante d’instruments (plusieurs spectromètres de masse pour aérosol, plusieurs spectromètre de masse à transfert de protons combinés à des impacteurs virtuels) permettant de suivre non seulement la phase hydrométéore mais aussi l’air interstitiel du nuage. Ces expériences seront ensuite modélisées grâce au modèle CAPRAM lui-même enrichis des résultats cinétiques et mécanistiques des expériences en phase aqueuse. Ce modèle ainsi validé servira de base au transfert vers un modèle 3D. En effet, en plus d’apporter une vérification expérimentale de l’importance de l’aqSOA, PARAMOUNT ambitionne de jeter les bases d’une véritable évaluation de son importance atmosphérique. Pour cela deux approches seront menées : la première consiste à conduire des travaux de modélisation 3D afin d’extrapoler les résultats de PARAMOUNT à divers environnements atmosphériques et à diverses échelles. L’autre consiste à établir une plateforme de discussion destinée à l’ensemble de la communauté mondiale de la chimie des nuages (une vingtaine de groupes environ) afin de disséminer nos résultats mais surtout afin de lancer en grand le débat de l’importance atmosphérique de la chimie des nuages quant à la formation d’aérosol organique.