L'amplification de la lumière accélère les réactions chimiques dans les aérosols

Les gouttelettes et les particules les plus fines peuvent capter la lumière, comme cela se produit entre deux miroirs. L'intensité de la lumière est ainsi amplifiée à l'intérieur de celles-ci. Cela se produit également dans les gouttelettes d'eau et les particules solides les plus fines de notre atmosphère, les aérosols. Des chimistes de l'ETH Zurich et de l'Institut Paul Scherrer (PSI) à Villigen ont maintenant étudié, à l'aide d'une microscopie à rayons X moderne, comment l'amplification de la lumière se répercute sur les processus photochimiques qui se déroulent dans les aérosols. Les chercheurs ont ainsi pu démontrer : L'amplification de la lumière permet à ces processus chimiques de se dérouler en moyenne deux à trois fois plus rapidement que ce ne serait le cas sans l'effet d'amplification.

Les chercheurs ont étudié à la Source de Lumière Synchrotron Suisse du PSI des aérosols composés de minuscules particules de citrate de fer (III). Ce composé réagit sous l'influence de la lumière pour former du citrate ferreux. La microscopie à rayons X permet de distinguer, avec une précision de 25 nanomètres, les zones de citrate ferrique de celles de citrate de fer (II) au sein des particules d'aérosol. Les scientifiques ont ainsi pu observer et cartographier en haute résolution le déroulement temporel de cette réaction photochimique dans des particules d'aérosol individuelles.

Décomposition sous l'influence de la lumière

"Le citrate de fer (III) était pour nous un composé de substitution facile à étudier avec notre méthode", explique Pablo Corral Arroyo. Il est postdoctorant dans le groupe de la professeure de l'ETH Ruth Signorell et premier auteur de l'étude. Le citrate de fer (III) représente toute une série d'autres composés chimiques qui peuvent être présents dans les aérosols de l'atmosphère. De nombreux composés organiques et inorganiques sont sensibles à la lumière et peuvent se décomposer en petites molécules qui peuvent être gazeuses et donc s'échapper lorsqu'elles sont exposées à la lumière. "Les particules d'aérosols perdent ainsi de la masse, ce qui modifie leurs propriétés", explique Signorell. Entre autres, elles diffusent différemment la lumière du soleil, ce qui influence les phénomènes météorologiques et climatiques. En outre, leurs propriétés de germes de condensation dans la formation des nuages changent.

Les résultats ont donc également un impact sur la recherche climatique. "Les modèles informatiques actuels de la chimie atmosphérique globale ne tiennent pas encore compte de cet effet d'amplification de la lumière", explique la professeure de l'ETH Signorell. Les chercheurs proposent d'inclure cet effet dans ces modèles à l'avenir.

Temps de réaction non uniformes dans les particules

L'amplification de la lumière dans les particules, maintenant cartographiée et quantifiée avec précision, est due à des effets de résonance. L'intensité lumineuse est la plus élevée par rapport au côté de la particule qui est éclairé par la lumière. "Dans ce point chaud, les réactions photochimiques se déroulent jusqu'à dix fois plus vite que ce ne serait le cas sans l'effet de résonance", explique Corral Arroyo. Si l'on fait la moyenne sur l'ensemble de la particule, il en résulte une accélération du facteur deux à trois mentionné. Habituellement, les réactions photochimiques dans l'atmosphère durent de plusieurs heures à plusieurs jours.

A l'aide des données collectées expérimentalement, les chercheurs ont pu créer un modèle informatique afin d'estimer l'effet sur une série d'autres réactions photochimiques d'aérosols typiques dans l'atmosphère. Il s'est avéré que l'effet désormais chiffré ne concerne pas seulement les particules de citrate ferrique, mais tous les aérosols - particules ou gouttelettes - de composés pouvant réagir avec la lumière. Les autres réactions se déroulent également deux à trois fois plus vite en moyenne.