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2021-05-12

Le taux d’acidité retrouvé dans les pluies dites acides peut être plus de dix fois supérieur à celui trouvé dans une eau de pluie non polluée. Ces pluies acides endommagent structures et bâtiments, mais surtout la végétation (par exemple, les cultures vivrières). Elles déminéralisent également le sol, ce qui retarde la croissance des plantes. L'acidité de l'atmosphère est de plus en plus déterminée par le dioxyde de carbone et les acides organiques tels que l'acide formique. Celui-ci contribue à la formation de particules d'aérosol à l’origine des gouttes de pluie et a donc un impact sur la croissance des nuages et le pH de l'eau de pluie. Toutefois, les processus chimiques à l'origine de sa formation n'étaient pas bien compris jusqu'à présent. Une nouvelle étude réalisée par une équipe internationale de chercheurs de l'Université libre de Bruxelles (ULB) et du Centre de recherche allemand Jülich (FZJ), avec des contributions de scientifiques de l’IASB, publiée dans Nature le 12 mai, révèle enfin le mécanisme de formation de l'acide formique.

Au début des années quatre-vingt, les pays industrialisés découvrent que leurs forêts sont ravagées par les pluies acides et que leurs arbres dépérissent par milliers. La cause en était que les oxydes d'azote et les oxydes de soufre rejetés dans l'atmosphère par les activités humaines réagissaient avec les gouttelettes d'eau dans les nuages pour former deux acides minéraux : l’acide sulfurique et l’acide nitrique. Les pluies acides ont un pH d'environ 4,2 à 4,8. C’est-à-dire plus de dix fois plus acide que le pH de l’eau de pluie dite pure (5,5 à 5,7), qui résulte de la teneur naturelle en dioxyde de carbone de l'atmosphère.

Cependant, le processus chimique qui forme la majeure partie de l'acide formique présent dans l'atmosphère était inconnu jusqu'à aujourd'hui. Le Dr Bruno Franco (ULB) et le Dr Domenico Taraborrelli (FZJ) l'ont maintenant décrypté :

Formation formic acid
Schéma des principaux secteurs d'émission et des émissions primaires, des
processus météorologiques et chimiques, des incidences sur la qualité de l'air et le
climat, et des outils de mesure et d'analyse utilisés pour analyser les effets des
modifications des émissions. (Franco et al., 2021)

  1. Le formaldéhyde (HCHO) est formé naturellement par photo-oxydation de composés organiques volatils (émit pas la végétation et certains processus industriels).
  2. Le formaldéhyde réagit au sein des gouttelettes de nuages avec des molécules d'eau pour former du méthanediol (CH2(OH)2).
  3. La majeure partie de cette substance est dégazée et réagit avec les radicaux OH, parfois appelés les « détergents de l'atmosphère », dans un processus photochimique pour former de l'acide formique.
  4. Une petite partie réagit également avec la phase liquide des gouttelettes d'eau pour former de l'acide formique, qui est répandu par la pluie.

 

« D'après nos calculs, l'oxydation du méthanediol en phase gazeuse produit jusqu'à quatre fois plus d'acide formique que ce qui est produit par les autres processus chimiques connus dans l'atmosphère », expliquent les chercheurs. Cette quantité réduit de 0,3 le pH des nuages et de l'eau de pluie, ce qui met en évidence la contribution du carbone organique à l'acidité naturelle de l'atmosphère. »

Dans un premier temps, les deux scientifiques ont testé leur théorie à l'aide de MESSy, un modèle global de chimie atmosphérique, et ont comparé les résultats avec les quantités d’acide formique présentes dans l’atmosphère, calculées à l’ULB grâce aux mesures de l’instrument IASI (pour Interféromètre Atmosphérique de Sondage dans l’Infrarouge) à bord des satellites Metop-A, -B et –C. « Ces mesures satellites sont très importantes car elles permettent, comme pour d’autres constituants de l’atmosphère, d’évaluer l’exactitude des modèles. Et pour la première fois, le mécanisme découvert permet de faire coïncider les modèles et les mesures d’acide formique, jusqu’alors largement sous-estimées », explique Bruno Franco. Des expériences ultérieures dans la chambre de simulation atmosphérique SAPHIR de Jülich ont confirmé ces résultats.

« Nous supposons que le mécanisme mis en évidence soit également actif dans les aérosols aqueux et qu'il s'applique à d'autres acides organiques tels que l'acide oxalique, qui ne sont pas suffisamment pris en compte dans les modèles de chimie atmosphérique à ce jour", déclare Taraborrelli. L’impact de cette découverte pourrait donc être plus large et mener à une meilleure compréhension de la croissance des particules d'aérosols et du développement des nuages.

L'Institut royal d'Aéronomie Spatiale de Belgique a contribué à cette étude en fournissant des mesures de composés organiques dans l'atmosphère : [1] observations satellitaires globales du formaldéhyde avec le spectromètre OMI (De Smedt et al., 2018) ; [2] mesures au sol de l'acide formique sur l'île de la Réunion avec un instrument FTIR (Vigouroux et al., ACP, 2012).

Publication

B. Franco, T. Blumenstock, C. Cho, L. Clarisse, C. Clerbaux, P-F. Coheur, M. de Mazière, I. de Smedt, H.-P. Dorn, T. Emmerichs, H. Fuchs, G. Gkatzelis, D. W. T. Griffith, S. Gromov, J. W. Hannigan, F. Hase, T. Hohaus, N. Jones, A. Kerkweg, A. Kiendler-Scharr, E. Lutsch, E. Mahieu, A. Novelli, I. Ortega, C. Paton-Walsh, M. Pommier, A. Pozzer, D. Reimer, S. Rosanka, R. Sander, M. Schneider, K. Strong, R. Tillmann, M. van Roozendael, L. Vereecken, C. Vigouroux, A. Wahner, D. Taraborrelli; Ubiquitous atmospheric production of organic acids mediated by cloud droplets, Nature, https://dx.doi.org/10.1038/s41586-021-03462-x, 2021.

Remerciements

Communiqué de presse original par l’Institute of Energy and Climate Research – Troposphere (IEK-8).

Adaptations et traductions en coopération avec l’Université Libre de Bruxelles (ULB).

L’IASB rappelle le financement national de BELPSO et de l'ESA à travers le projet ProDEx TRACE-S5P (projet TRACE-S5P).

Les développements multi-capteurs HCHO ont été financés par le projet FP7 QA4ECV de l'UE (subvention n° 607405).

Références

[1] De Smedt, I., Theys, N., Yu, H., Danckaert, T., Lerot, C., Compernolle, S., Van Roozendael, M., Richter, A., Hilboll, A., Peters, E., Pedergnana, M., Loyola, D., Beirle, S., Wagner, T., Eskes, H., van Geffen, J., Boersma, K. F., and Veefkind, P.: Algorithm theoretical baseline for formaldehyde retrievals from S5P TROPOMI and from the QA4ECV project, Atmos. Meas. Tech., 11, 2395–2426, https://doi.org/10.5194/amt-11-2395-2018, 2018.

[2] Vigouroux, C., Stavrakou, T., Whaley, C., Dils, B., Duflot, V., Hermans, C., Kumps, N., Metzger, J.-M., Scolas, F., Vanhaelewyn, G., Müller, J.-F., Jones, D. B. A., Li, Q., and De Mazière, M.: FTIR time-series of biomass burning products (HCN, C2H6, C2H2, CH3OH, and HCOOH) at Reunion Island (21° S, 55° E) and comparisons with model data, Atmos. Chem. Phys., 12, 10367–10385, https://doi.org/10.5194/acp-12-10367-2012, 2012.

Contact scientifique

  • Dr. Bruno Franco, Spectroscopie, chimie quantique et télédétection atmosphérique (SQUARES), Université libre de Bruxelles (ULB)
    Tel : +32 498 74 87 72 ; Email : bruno (point) franco (arobase) ulb (point) be

Contacts presse

  • (ULB) Mathieu Léonard, Service Communication, Université libre de Bruxelles
    Tel: +32 2 650 48 50; E-mail : mathieu (point) leonard-salle (arobase) ulb (point) be
  • (IASB) Dr Karolien Lefever, Chef du service Communication et documentation de l’IASB.
    Email: Karolien (point) Lefever (arobase) aeronomie (point) be
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Le taux d’acidité retrouvé dans les pluies dites acides peut être plus de dix fois supérieur à celui trouvé dans une eau de pluie non polluée. Ces pluies acides endommagent structures et bâtiments, mais surtout la végétation (par exemple, les cultures vivrières). Des scientifiques de l’IASB ont contribué à une étude réalisée par une équipe internationale de chercheurs de l’ULB et du FZJ (Allemagne), qui révèle enfin le mécanisme de formation de l'acide formique.