Interactions aérosols-nuages: rôle des composés organiques sur l'activation des gouttelettes d'eau de nuages – ORACLE

Le cœur du projet ORACLE est constitué d'expériences en chambre de simulation, où des espèces organiques seront équilibrées entre la phase gazeuse et la phase condensée à différentes humidités relatives (HR). Le processus d'équilibrage sera contrôlé par la mesure de la partition des espèces organiques entre les 2 phases. L'influence de la co-condensation sur la croissance hygroscopique sera évaluée en calibrant les particules équilibrées à différentes HR et en mesurant leur activité CCN. Pour évaluer la perte d'espèces semi-volatiles due à l'échauffement dans le compteur CCN commercial, une chambre de diffusion à gradient thermique à flux continu, construite en interne, sera utilisée en parallèle. Afin d'isoler l'effet des espèces tensioactives sur l'activation du CCN, des techniques récemment développées pour mesurer la tension de surface de particules uniques seront optimisées et appliquées à des gouttelettes en croissance. Les expériences seront accompagnées d'une modélisation thermodynamique et cinétique des effets de la tension de surface, de la non-idéalité de la solution et de la co-condensation sur l'activation du CCN.
Ces expériences conduiront à
- une meilleure compréhension théorique de la contribution des espèces semi-volatiles et/ou tensioactives à l'activation des gouttelettes de nuage pour des conditions atmosphériques réalistes ;
- la proposition de nouvelles techniques expérimentales adaptées à la saisie des contributions des espèces semi-volatiles et tensioactives à l'activation des gouttelettes de nuage dans les expériences de terrain ;
- la contribution aux modèles de transport chimique et de climat global sur la façon de traiter la semi-volatilité et l'activité de surface des espèces organiques afin d'améliorer les prédictions de la croissance hygroscopique, de l'activation CCN et des propriétés des nuages.

Tâche 1.1 :
- Résultats préliminaires en microscope ESEM confirmant la validité de différentes approches pour mesurer la tension de surface de particules individuelles.
- Préparation/installation d'une cellule contrôlée par l'humidité relative et la température sur l'instrument AFM.

Tâche 1.2 :
- La technique récemment développée pour l'extraction et la pré-concentration de mélanges complexes de tensioactifs tels que ceux rencontrés dans l'environnement (eaux de surface, nuages, brouillards et aérosols) couplée à la dérivatisation et à la caractérisation chimique (Jim Grisillon, thèse de Master, 2022) est actuellement préparée sous forme de manuscrit à soumettre à Talanta.
- Compilation d'une large base de données d'isothermes de tension de surface pour des mélanges binaires organiques/eau (article en préparation).
- Mesures de la tension superficielle de mélanges binaires, ternaires et quaternaires de tensioactifs, de sel et de composés organiques dans l'eau (article en préparation).

Tâche 1.5 : Un manuscrit examinant la performance des modèles de tension de surface appliqués aux mélanges binaires (eau et un soluté) est en préparation pour être soumis au PCCP.

Préparation du WP2 : Parce que le sulfate d'ammonium est généralement choisi pour les particules d'ensemencement, une étude spécifique a été menée montrant qu'une attention particulière doit être apportée à leur utilisation, car les impuretés organiques peuvent adhérer à leurs surfaces et éventuellement biaiser les résultats des mesures de tension de surface (Wu et al., 2022)

À long terme, ORACLE améliorera notre capacité à prévoir le nombre et la taille des gouttelettes de nuage, deux paramètres primordiaux pour les prévisions de précipitations dans les modèles de prévision météorologique numérique et l'impact climatique des particules d'aérosol dans les projections climatiques futures.

1. 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.
2. Wang, Y., Voliotis, A., Hu, D.W., Shao, Y.Q., Du, M., Chen, Y., Kleinheins, J., Marcolli, C., Alfarra, M.R., McFiggans, G. On the evolution of sub- and super-saturated water uptake of secondary organic aerosol in chamber experiments from mixed precursors, Atmos. Chem. Phys., 22, 4149–4166, 2022.
3. Clément Chatre. Mesure de tension de surface de particules microniques et submicroniques : application à la formation des nuages. Thèse de doctorat, Université Lyon 1. 14-12-2021

Dans l’atmosphère terrestre, la formation d’une gouttelette d’eau de nuage requiert un support, appelé noyau de condensation de nuage ou CCN (Cloud Condensation Nuclei). Toutes les particules d’aérosol atmosphériques peuvent servir de CCN, mais leurs propriétés physico-chimiques influent sur le mécanisme d’activation en gouttelettes, et sur leur nombre et leur taille. Ces mécanismes sont actuellement encore mal connus, ce qui induit de grandes incertitudes sur le bilan radiatif et les projections climatiques. Les études comparant le nombre de particules activées par mesure de leur grossissement hygroscopique avec la mesure directe du nombre de CCN aboutissent souvent à des désaccords. La présence d’une importante fraction organique dans l’aérosol est probablement à l’origine de ces désaccords : les surfactants diminuent la tension de surface de la gouttelette au cours de son grossissement comparé à une gouttelette d’eau pure ; le grossissement hygroscopique peut être affecté par la non-idéalité de la solution, elle-même contrainte par les composés organiques faiblement hydrosolubles ; et enfin, la co-condensation de composés organiques volatils hydrosolubles (appelés ici semi-volatils) peut affecter la mesure du grossissement hygroscopique. ORACLE vise une meilleure compréhension fondamentale du rôle joué par les composés organiques sur l’activation CCN, à travers des études expérimentales complétées de modélisation. Les principaux objectifs sont de: déterminer l’évolution de la tension de surface d’une gouttelette en cours de grossissement à partir de particules d’aérosols de compositions chimiques variées ; et d’élucider l’effet de la co-condensation de composés organiques sur le grossissement hygroscopique et la tension de surface.
Le déploiement d’expériences en chambre de simulation atmosphérique couplées à des instruments de mesures innovants constitue le cœur et l’originalité d’ORACLE. Des particules d’aérosol mono-disperses seront introduites en présence de composés organiques en phase gazeuse sous des humidités relatives (HR) et à des concentrations initiales typiques de l’atmosphère. L’évolution du mélange résultant sera observée en fonction de l’HR grâce à des mesures du partitionnement gaz/particules des composés organiques. L’influence de la co-condensation de composés organiques sur le grossissement hygroscopique sera détectée par la mesure de la taille de la particule résultante sous différentes HR et par mesure de l’activation CCN. Pour ces mesures, un compteur CCN commercial, dont le principe de chauffage des particules entraine un risque de perte des composés organiques lors de la mesure, sera comparé à un instrument prototype limitant ce risque. Afin de mettre en relief les effets de la tension de surface sur l’activation CCN, des techniques récentes de microscopie seront optimisées pour la mesure de la tension de surface et les isothermes d’absorption de particules submicroniques individuelles, elles seront appliquées aux gouttelettes en cours de grossissement, et aux expériences en chambre de simulation. L’ensemble expérimental sera complété de modélisations cinétiques et thermodynamiques de la tension de surface, de la non-idéalité des solutions et des effets de la co-condensation des composés organiques sur l’activation CCN de l’aérosol.
Ainsi, le projet ORACLE permettra :
- L’amélioration de la compréhension fondamentale de la contribution des composés organiques semi-volatils et/ou des surfactants à l’activation CCN des particules d’aérosol ;
- Le déploiement de techniques instrumentales innovantes, adaptées aux conditions atmosphériques ;
- L’amélioration des modèles de chimie-transport sur le traitement des espèces organiques et leurs influences sur la formation des nuages.
A plus long terme, ORACLE permettra d’améliorer notre capacité à prévoir la formation des nuages, indispensable pour la prévision des précipitations, et pour l’impact climatique des particules d’aérosol.