L’augmentation de l’ionisation favorise la croissance des aérosols dans les noyaux de condensation des nuages

Le 19 décembre, 2017 Henrik Svensmark a publié dans Nature Communication un article qui décrit comment l’ionisation favorise la croissance des aérosols à partir des noyaux de condensation des nuages.

Vous trouverez dans ce billet la traduction complète de cet article. Traduction faite par Scaletrans que je remercie

C’est un article scientifique qui est bien documenté. Il y a de ce fait des équations mathématiques qui peuvent rebuter certains lecteurs. Il n’est pas nécessaire de les comprendre, mais il faut suivre la démarche et les expériences qui y sont décrites.

Les ions, et en particulier l’ion H⁺ initie la condensation de l’eau dans l’atmosphère terrestre et c’est comme chimiste que je vous en parle.

Vous avez peut-être en TP de chimie (pour ceux qui en ont fait) versé de l’oléum (c’est de l’acide sulfurique à plus de 100%) dans un bécher. Si vous l’avez fait vous avez vu un gros panache de « fumées blanches » sortir du goulot avant le liquide. Ce n’est pas un gaz blanc, mais des micro-gouttelettes d’eau liquide en suspension. On a les mêmes volutes de « fumées blanches » avec tous les acides forts à haute tension de vapeur. C’est toujours des micro-gouttelettes d’eau liquide un peu acide toutefois.

Que se passe-t-il ? Prenons le cas de l’acide sulfurique

L’acide (H₂SO₄) un peu volatil, rencontre une molécule d’eau dans l’air et forme H₃O⁺ un ion oxonium qui est associé dans le cas de l’acide sulfurique au contre ion négatif HSO₄^–

Cet ion oxonium positif va s’entourer de molécules d’eau nombreuses de manière à former une sphère autour de lui comme sur cette image.

C’est le début d’une condensation. On conçoit donc que les ions positifs (plus spécialement l’ion oxonium) soient des amorceurs de condensation.

Pourquoi y a-t-il de l’acide sulfurique dans la haute atmosphère ? Cet acide résulte des réactions avec l’ozone du soufre ou des sulfures organiques (comme par exemple le sulfure de dimethyl). Ce sont des réactions photo catalysées par des rayonnements énergétiques et les UV.

Je vous laisse poursuivre par la lecture de cet excellent article

Bernnard

Par:

• H. Svensmark,
• M. B. Enghoff,
• N. J. Shaviv &
• J. Svensmark

• Nature Communications 8, Article number: 2199 (2017)  doi: 10. 1038/s41467 -017 -02082 -2
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• Atmospheric chemistry
• Climate sciences
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• Space physics

Reçu:  10 mai 2017,  Accepté:  03 novembre 2017,  Publié « on line »:  19 Décembre 2017.

Source

Traduction Scaletrans

Résumé

On a supposé que les ions produits par les rayons cosmiques influençaient les aérosols et les nuages. Dans cette étude, on étudie sur les plans théoriques et expérimentaux l’effet de l’ionisation sur la croissance des aérosols dans les noyaux de condensation des nuages. Nous montrons que les flux massifs d’ions peuvent constituer une addition importante à la croissance provoquée par la condensation de molécules neutres. Dans des conditions atmosphériques, la croissance amorcée par des ions peut représenter plusieurs pour-cent de la croissance neutre. Nous avons réalisé des expériences qui quantifient l’effet des ions sur la croissance des aérosols entre nucléation et des dimensions >20nm et constaté un bon accord avec la théorie. La condensation induite par ions devrait être importance non seulement dans l’atmosphère actuelle de la Terre pour la croissance d’aérosols dans les noyaux de condensation des nuages dans des conditions marines vierges, mais encore sous ionisation atmosphérique causée par l’activité accrue d’une supernova.

Introduction

Les nuages ont un rôle fondamental dans le bilan énergétique terrestre, et tout processus pouvant induire des modifications organisées dans la microphysique des nuages présente un grand intérêt. Pour former une gouttelette de nuage, la vapeur d’eau doit se condenser sur des aérosols servant de noyaux de condensation (CCN) mesurant au moins 50-100nm¹,, et la variation de la quantité de CCN va influencer la microphysique^{2, 3} des nuages. Le processus qui a été étudié est déterminé par l’ionisation provenant des rayons cosmiques, dont il a été suggéré l’importance du rôle par son influence sur la densité de CCN dans l’atmosphère et par conséquent sur la couverture nuageuse de la Terre^4,5,6,7. Cette idée s’est appuyée sur des expériences qui ont démontré que les ions amplifient le taux de nucléation de petits aérosols (≈1.7 nm)^{8, 9}. Cependant, pour affecter les propriétés des nuages, tout changement dans les petits aérosols doit impacter des CCN de 50-100 nm, mais de tels changements ont par la suite été trouvés trop faibles pour affecter les nuages^{3, 10, 11} d’après les modèles numériques. L’explication proposée de ce déficit est que les aérosols supplémentaires réduisent la concentration des gaz à partir desquels les particules croissent, et une croissance plus lente augmente la probabilité que des aérosols plus petits soient perdus pour des aérosols préexistants. Ceci a conduit à la conclusion qu’il n’y a pas de lien significatif entre les rayons cosmiques et les nuages dans l’atmosphère terrestre.

Cette conclusion est en opposition complète avec une expérience récente démontrant que lorsque des ions en surplus sont présents dans le volume expérimental, alors tous les noyaux d’aérosols supplémentaires peuvent se développer jusqu’à devenir des CCN. Mais sans ions en surplus dans le volume expérimental, tous les petits (3nm) aérosols supplémentaires se perdent avant d’atteindre la taille CCN¹² conformément aux résultats de modèles cités plus haut. On présumait qu’un mécanisme inconnu opérait, selon lequel les ions facilitent la croissance et la formation de CCN. Une preuve supplémentaire provient des observations atmosphériques de chutes brutales de rayons cosmiques lors des éruptions solaires durant lesquelles on observe une réponse concomitante des aérosols et des nuages^{6, 7}. À nouveau ceci s’accorde avec un mécanisme selon lequel un changement d’ionisation se traduit par un changement de la densité de CCN. Cependant, la nature de ce lien micro physique était insaisissable.

Dans cette étude, nous démontrons, sur les plans théoriques et expérimentaux, la présence d’un mécanisme, applicable sous conditions atmosphériques, où la variation de la concentration d’ions amplifie le taux de conversion des noyaux de condensation (≈1.7 nm) en CCN. On trouve qu’un accroissement de l’ionisation provoque une croissance plus rapide des aérosols, ce qui réduit la probabilité que les aérosols en croissance soient perdus pour les particules existantes, ainsi plus d’aérosols peuvent survivre jusqu’à la taille CCN. Nous affirmons que le mécanisme est significatif dans les conditions actuelles de l’atmosphère et à plus forte raison durant la forte ionisation préhistorique provoquée par une supernova proche. Le mécanisme pourrait par conséquent expliquer naturellement les corrélations observées entre les variations climatiques passées et les rayons cosmiques, modulés soit par l’activité solaire^{13,14,15,16,17} soit par l’activité d’une supernova dans le voisinage du système solaire sur de très longues périodes durant lesquelles le mécanisme aura une influence profonde^18,19,20.

ABRÉVIATIONS

CCN – Noyau de Condensation de Nuage

SA – Acide Sulfurique

HSO – Sulfure d’hydrogène

AMU – Unité de masse atomique

Résultats

• Modèle théorique et prédictions

Les rayons cosmiques sont les principaux producteurs d’ions dans la basse atmosphère terrestre²¹. Ces ions interagissent avec les aérosols existants et chargent une fraction d’entre eux. Cependant, cette fraction d’aérosols chargés est indépendante du taux d’ionisation à l’état stable – bien que les interactions électrostatiques augmentent les interactions entre les aérosols chargés et entre ces aérosols et les molécules neutres, la recombinaison d’ions accrue garantit que la fraction d’aérosol chargé à l’équilibre reste la même²². La nucléation induite par les ions va faire que les aérosols nucléés seront plus fréquemment chargés par rapport à une distribution de charge équilibrée, mais la recombinaison d’ions ramènera la distribution à l’équilibre de charge, typiquement avant que les aérosols atteignent ~4 nm²³. Par conséquent, on ne s’attend pas à ce que changement d’ionisation ait une influence sur le nombre de CCN par les interactions de Coulomb entre aérosols.

Cependant, cet argument ne tient pas compte du fait que la fréquence d’interactions entre ions et aérosols est fonction de la densité d’ions, et que chaque fois qu’un ion se lie à un aérosol, la masse de celui-ci augmente de celle de l’ion (m_ion). Il en résulte qu’un changement de la concentration d’ions a un effet faible mais significatif sur le taux de croissance des aérosols car le flux massique des ions sur les aérosols augmente avec cette concentration. Ce flux massique est généralement négligé lorsque comparé au flux massique de molécules neutres (par exemple l’acide sulfurique, SA) vers les aérosols par croissance de condensation, comme on peut le voir dans l’estimation simple qui suit : la concentration d’ions typique dans l’atmosphère est de l’ordre de ≈10³ ions cm⁻³, cependant la concentration de vapeur se condensant (SA) est typiquement de l’ordre de ≈10⁶ molécules cm⁻³. Le rapport entre les deux est de 10^-3, d’où l’on peut conclure que l’effet des ions sur la croissance des aérosols est négligeable. Nous montrerons ici que ce n’est pas toujours le cas.

Le flux massique vers les aérosols neutres comprend non seulement la condensation de molécules neutres, mais aussi deux termes ajoutant une masse due à la recombinaison d’un ion positif (négatif) et un aérosol négatif (positif). De plus, lorsqu’un ion charge un aérosol neutre, l’ion ajoute m_ion à sa masse. Explicitement, en prenant en compte le flux massique d’ions mentionné plus haut, la croissance d’aérosols par condensation d’un gaz neutre et d’ions chargés devient,

(1)

avec i et j = (0, +, -) se référant à des particules neutres, positivement et négativement chargées. Ici r et t sont le rayon de l’aérosol et le temps. Nⁱ = (N⁰, N⁺, N⁻) est la densité numérique des aérosols neutres, positifs et négatifs. n⁰ est la concentration de gaz condensable, n⁺, n^– sont la concentration des ions positifs et négatifs, alors que Aⁱ = (mⁱ / 4πr²ρ), avec mⁱ étant la masse de la molécule de gaz neutre (i = 0), et la masse moyenne des ions positifs / négatifs, i = (+, -), ρ est la masse volumique du gaz condensé, et β est le coefficient d’interaction entre les molécules (ou ions) et les aérosols neutres et / ou chargés (Voir Méthodes pour plus de détails des équations, les coefficients d’interaction, les détails de l’expérience, et le (m_ion/m₀) de 2.25).
β⁰⁰, β⁺⁰, et β⁻⁰correspondent aux coefficients d’interaction décrivant l’interaction entre les aérosols neutres de rayon r et les molécules neutres, ions positifs et ions négatifs respectivement, alors que β⁰⁺ et β⁰⁻ sont les coefficients d’interaction entre les molécules neutres et positivement / aérosols chargés négativement. β⁺⁻ correspond à la recombinaison entre un ion positif et un aérosol négatif de rayon r, et vice versa pour β^{−+24 .} Si aucun ion n’est présent, les équations ci-dessus simplifient à l’équation de condensation bien connue²⁵, où

(2)

est le taux de croissance du rayon d’aérosol dû à la condensation des molécules sur les aérosols. C’est le changement de taux de croissance causé par les ions qui est intéressant ici.
En supposant un état stable pour les interactions entre les ions et les aérosols, nous trouvons²²

(3)

où, en utilisant N^tot = N⁰ + N⁺ + N⁻ donne:

(4)

Les équations (3) et (4) peuvent être insérées dans les composantes de l’équation. (1) (pour i = (0, +, -)). En supposant une symétrie entre les charges positives et négatives, c’est-à-dire, m_ion ≡ m⁺ = m⁻, β^±0 ≡ β⁻⁰ = β⁺⁰, β^±∓ ≡ β⁺⁻ = β⁻⁺, et n_ion ≡ n⁺ = n⁻, finalement conduit à (Voir Méthodes pour les détails sur la dérivation des équations, les coefficients d’interaction, les détails de l’expérience, et le (m_ion/m₀) de 2.25):

(5)

où

(6)

Le terme 1 apparaissant dans l’équation. (5) est le résultat de l’approximation (1+2(β^0±β^±0)/(β^±∓β⁰⁰))/(1 + 2β^±0/β^±∓) ≈ 1, valable à 3 × 10-⁴ pour un aérosol de 10 nm et décroissant pour d> 10 nm. Le terme entre parenthèses dans l’équation (5) est lié au taux de variation du rayon de l’aérosol.

(7)

Ce taux de croissance est l’une des équations caractéristiques décrivant l’évolution des aérosols, et il est valable indépendamment de toute perte²⁶.
C’est Γ, dans l’équation. (6), qui quantifie l’effet net de la condensation ionique. Le terme 4(β^±0/β⁰⁰) (N⁰/N^tot) dépend des interactions électrostatiques, et où (n_ion/n₀) et (m_ion/m₀) dépendent des concentrations et des paramètres spécifiques. La figure 1a représente cette partie avec (β^±0/β⁰⁰) et (N⁰/N^tot). La figure 1b représente la taille de Γ en % de la condensation neutre, en fonction du taux d’ionisation q et du diamètre d des aérosols pour une concentration moyenne en acide sulfurique atmosphérique de n₀ ≈ 1 × 10⁶ molécules cm^-3 et m₀ = 100 AMU et un rapport de masse (m_ion/m₀) de 2,25 (voir Méthodes pour plus de détails sur la dérivation des équations, les coefficients d’interaction, les détails de l’expérience, et le (m_ion/m₀) de 2,25.). Il est à noter que les termes β^±0 et β⁰⁰ dépendent également de la masse et du diamètre des ions et des molécules neutres, qui peuvent varier en fonction de la composition. Les masses exactes et l’asymétrie de masse entre les ions peuvent varier – les ions positifs observés ont tendance à être plus lourds que les ions négatifs²⁷. Il existe d’autres réserves à la théorie, qui seront examinées dans la section discussion.

Résultats des expériences

Nous procédons ensuite en démontrant que les prévisions de la théorie de la condensation générée par ions décrite plus haut est bien mesurée dans les expériences. Ces dernières ont été effectuées dans une chambre de réaction¹² en acier inoxydable de 8 m³. En raison des pertes de paroi, le taux de croissance des aérosols ne devrait pas être trop lent, par conséquent la concentration d’acide sulfurique doit être plus importante que n⁰ ≈ 2 × 10⁷ moles cm⁻³. Ceci diminue l’effet de l’ionisation sur la croissance des aérosols de plus d’un ordre de magnitude par comparaison avec les valeurs atmosphériques typiques. C’est cependant une contrainte nécessaire étant donné les dimensions finies de la chambre. Le nombre de particules nucléées devait être suffisamment faible de façon à ce que la coagulation soit sans importance de façon à maintenir les fronts de croissance relativement serrés en taille et espace, permettant une mesure précise du taux de croissance.

L’ionisation dans la chambre pouvait varier de 16 à 212 paires d’ions cm^-3 s^-1 à l’aide de deux sources γ. Au maximum d’ionisation, le taux de nucléation des aérosols s’accroissait de 30% par rapport au minimum.

Les expériences ont été menées sous une production photo lytique UV constante d’acide sulfurique, et toutes les 4 h (2h dans certains cas) l’ionisation était changée d’un extrême à l’autre, donnant un cycle d’une période P de 8 h (ou 4 h) (Voir Méthodes pour le détail des dérivations d’équations, de coefficients d’interaction, détails des expériences, et le (m_ion/m₀)  de 2.25). L’effet de la nucléation générée par ions durant la partie du cycle au maximum d’ionisation se traduit par une formation accrue de nouveaux aérosols (Fig. 2a). Pour améliorer les statistiques, le cycle P a été répété jusqu’à 99 fois. Il a été réalisé 11 itérations expérimentales pour un total de 3100 h. Chaque jeu de données était ensuite superposé sur la période P, donnant une moyenne statistique de cycle. On peut voir une superposition de cycle à la Fig. 2b, où l’on peut utiliser les données des zones de transition entre basse et haute densité d’aérosols pour extraire les effets des ions sur la croissance des aérosols. Les deux transitions déterminent deux trajectoires, profil 1 et profil 2 dans le plan (d, t), à partir desquelles il est possible d’estimer la différence de temps de croissance vers une taille donnée d (Voir Méthodes pour le détail des dérivations d’équations, de coefficients d’interaction, détails des expériences, et le (m_ion/m₀)  de 2.25). On a utilisé un spectromètre de masse CI API-ToF pour mesurer la concentration d’acide sulfurique durant quelques unes des expériences et pour estimer la masse des ions²⁸.

Fig 2 Profils de croissance expérimentaux.

a Densité d’aérosols , normalisée par la moyenne de 97 cycles de 4 h (T = 388 h) , fonction du diamètre d et du temps t.

b Données superposées sur la période de 4 h. Le temps t ₁(d) (ou T ₂(d)) pris par le profil 1 (ou profil 2) pour atteindre d est déterminé par le maximum local d’un ajustement Gaussien à (dN ^tot(d, t)/dt)² (Voir Méthodes pour les détails de dérivation des équations, des coefficients d’interaction, et le (m _ion/m ₀) de 2.25.). A noter que le profil 1 (profil 2) croît initialement avec γ-on (γ-off) jusqu’à d ≈ 13 nm. Cependant lorsque d > 13nm, le profil 1 (profil 2) croît avec γ-off (γ-on). C’est la différence de timing entre profil 1 et profil 2 qui contient l’information sur l’effet des ions sur le taux de croissance.

La théorie ci-dessus prédit une différence du temps que cela prend aux deux profils pour atteindre une taille r temps du à une différence de vitesse de croissance causée par la condensation par ion. Le temps nécessaire aux aérosols pour atteindre la taille r avec les deux profils possibles s’exprime par :

(8)

où  t₁ et t₂ se rapportent au temps que mettent les profils 1 et 2 pour atteindre la taille r. L’intégrande est donnée par l’Equ. (7) et considère qu’après la moitié de la période, les sources γ sont coupées (ou activées). Les équations précédentes peuvent être intégrées numériquement pour trouver ΔT = t₂(r) − t₁(r) et permettent de comparer avec les expériences.

Les 11 expériences sont résumées sur la figure 4, où ΔT est moyenné entre 6 et 12 nm, et représenté en fonction de la concentration de SA, qui est obtenue à partir des mesures CI-API-ToF et / ou des pentes des profils de croissance. . La courbe rouge est l’attente théorique pour les sources y au maximum, et la courbe bleue est obtenue avec une réduction de 45% de la densité des ions. Les deux sont trouvés en résolvant numériquement les équations. (7) et (8). L’importance relative de la condensation des ions augmente à mesure que la concentration de SA diminue, comme prévu et en bon accord avec la théorie.

Discussion

L’effet le plus fréquent des ions pris en compte dans les modèles d’aérosols est que leur charge augmente l’interaction entre les aérosols chargés et les aérosols/molécules neutres, augmentant par là leur croissance. Cependant, comme mentionné précédemment, la densité des ions n’affecte pas l’état stable des aérosols chargés de façon à ce que les interactions générées par les ions demeurent relativement constantes, ce qui implique qu’on n’attend pas de croissance des aérosols du fait du changement de l’ionisation de fond. Néanmoins, les expériences et les observations suggèrent que les ions influencent la formation de CCN, la question est donc : comment est-ce possible ?

L’étude présente démontre que le flux massique associé au chargement d’aérosols par des ions et la recombinaison ion-aérosol est importante et ne devrait pas être négligée. I’ dans l’équation (7) représente l’effet du flux massique d’ions vers les aérosols et démontre les amplifications inhérentes aux interactions entre ions et aérosols. Cette fonction I’ montre que l’estimation initiale du flux massique faite dans l’introduction est multipliée par la fonction dépendante de la taille, laquelle est d’environ 60 au maximum (m_ion∕m₀~2.25), et par conséquent de presque deux ordres de grandeur plus grands, que l’estimation naïve [simpliste]. La simple expression de l’équation (7), peut parfaitement être utilisée pour paramétrer des modèles généraux d’aérosols.

Pour tester le modèle théorique, on a procédé à des essais intensifs pour étudier les effets de la croissance des flux massiques d’ions sur les aérosols. Les expériences se compliquaient à cause des pertes d’aérosols sur les parois de la chambre. Cela signifie que la concentration de SA ne pouvait être équivalente aux valeurs typiques de l’atmosphère ~10⁶ molécules cm⁻³, mais devait excéder ~2 × 10⁷ molécules cm⁻³. Par conséquent, l’effet relatif sur les croissances générées par les ions était plus petit d’un ordre de grandeur, comme on peut le voir dans l’équation (7). Le défi de l’expérience était par conséquent de mesurer un changement < 1% du taux de croissance, ce qui fut fait en répétant de façon cyclique jusqu’à 99 fois l’expérience et à faire la moyenne des résultats afin de minimiser les fluctuations, totalisant 3100 h d’expériences. Les Figures 3 et 4 démontrent à la fois l’importance de faire varier la concentration de gaz SA neutre et l’effet du changement de la densité d’ions, et montrent une excellente concordance avec les prévisions théoriques. L’effet sur le taux de croissance se prolonge jusqu’à ~ 20 nm, comme on peut le voir à la Fig. 3, ce qui sont des dimensions plus grandes que prévues pour des aérosols chargés interagissant avec des molécules neutres^29,30,31, et sont supposés augmenter dans des concentrations atmosphériques de SA. On doit noter que les premiers stades de croissance sont très importants, car les aérosols les plus petits sont les plus vulnérables à la récupération par de gros aérosols préexistants, et en atteignant plus rapidement une taille plus grande ~ 29 nm, le taux de survie augmente rapidement.

La théorie présentée est une approximation d’un problème complexe, et un certain nombre de simplifications ont été faites, soulevant quelques questions. Nous allons maintenant discuter de la plus pertinente : les matériaux qui constituent les ions se condenseront ils sur des aérosols comme molécules neutres dans tous les cas ? Ce sera certainement le cas pour les ions négatifs HSO₄^–.  Supposant que tous les ions négatifs, n^–, sont des HSO₄^–, alors le nombre de molécules neutres de SA devrait être n₀ − n⁻, où n⁻, est la densité totale d’ions négatifs. En introduisant les valeurs du côté droit de l’Equ. (7), par exemple pour l’expérience actuelle n₀ ~ 10⁷ molécules cm⁻³, et n⁻ ~ 10⁴ ions cm⁻³ la correction pour le taux de croissance de la diminution de molécules neutres est,

Mais l’impact de la condensation par ions sur le taux de croissance est de l’ordre de 10^-2 (Fig. 4) et par conséquent d’un plus petit d’un ordre de grandeur. Donc même si les molécules neutres se condensent par la suite, cela ne change significativement pas le taux estimé de croissance par condensation d’ions. Ce serait aussi le cas dans les conditions atmosphériques, où n₀ est de l’ordre de 10⁶ et n_ion ~ 10³ ions cm⁻³, à nouveau une correction d’un ordre de grandeur plus faible que l’effet de la condensation par ions. A noter aussi que le flux massique par ions est plus important que par molécules neutres, ce qui participe au taux de croissance plus rapide. En fait, même si les particules plus grosses croissent légèrement plus lentement à cause d’une diminution des molécules neutres, le taux de croissance des particules plus petites est amélioré par l’interaction des ions, ce qui fait que la section des petites particules devient plus grande (Fig. 5). Ceci amène une deuxième question : Est-ce que la masse d’ions se condensant sur les petits aérosols restera dans l’aérosol et ne s’évaporera pas après neutralisation de l’aérosol ? C’est un peu plus difficile de répondre car on ne connaît pas la composition de tous les ions.

Les abondants ions HSO₄^– restants ne sont pas plus susceptibles de s’évaporer que les molécules neutres de SA. En ce qui concerne les ions positifs ou négatifs inconnus, la possibilité d’évaporation est plus incertaine. Si le matériau de certains des ions est susceptible de s’évaporer plus facilement, cela diminuerait naturellement l’effet ion. Les conditions expérimentales actuelles n’ont pas montré qu’il s’agissait d’un problème sérieux, mais cela pourrait l’être dans l’atmosphère avec des éléments organiques volatils. Autre problème : les ions de sulfate contiennent plus d’eau que leurs homologues neutres³², et on ne sait pas ce qu’il advient de cet excès d’eau après neutralisation de l’aérosol. On a également considéré que la densité d’ions était à l’état stable à tout instant avec la densité d’aérosols. Il s’agit naturellement d’une approximation, mais d’après les mesures de densité d’ions avec un tube de Gerdien³³ le temps moyen pour parvenir à l’état stable est de quelques minutes ce qui en fait une approximation raisonnable¹². Il vaut la peine de noter que lors des expériences il y a deux types de perte en plus de la recombinaison : les pertes de parois et la chute de condensation vers les aérosols. Sur la base du taux de perte d’acide sulfurique le taux de perte de paroi est d’environ 7 × 10⁻⁴ s⁻¹, alors que la chute de condensation pour l’expérience V2 était de 1.2 × 10⁻⁴ s⁻¹.

Cela signifie que les pertes de parois furent dominantes et que donc les variations de population d’aérosols n’ont qu’une influence minime sur la concentration d’ions. En outre la recombinaison est de loin le principal mécanisme de perte pour les ions. Pour une production de 16cm^-3 s^-1, la concentration réelle d’ions est de 92% de ce que donne un calcul basé uniquement sur la recombinaison – pour une production plus importante la recombinaison devient plus dominante et vice et versa. Dans les conditions atmosphériques de forte chute de condensation et faible production d’ions cela peut constituer une diminution significative due à la réduction de la concentration d’ions, mais dans des conditions épurées de l’expérience la chute de condensation n’a qu’un effet mineur. Pour calculer les coefficients d’interaction entre ions et aérosols il faut connaître les masses respectives d’ions et d’aérosols. C’est complexe en raison des nombreuses variantes d’ions et de leur contenu en eau, et pour simplifier on a choisi une masse d’ion moyenne de 225 AMU. La sensibilité de la théorie aux variations de masse d’ions dans la gamme (130 – 300 AMU) et de la masse d’une molécule SA neutre dans la gamme (100 – 130) pourrait changer l’important rapport (β^±0/β⁰⁰) de près de 20%.

Nous allons discuter maintenant de la possible pertinence de la théorie présentée dans l’atmosphère terrestre. Dans l’Eq. (6), le facteur (n_ion/n⁰) indique que l’importance relative de la condensation par ion sera la plus grande lorsque la concentration de gaz se condensant n^₀ est faible et la densité des ions est grande. Deuxièmement, la densité d’aérosols devrait aussi être faible de façon à ce que la majorité des ions ne se situent pas sur les aérosols. Cela ressemble aux conditions marines immaculées sur les océans, loin des zones continentales et polluées. Les résultats basés sur des mesures aériennes suggèrent que la troposphère libre est une source majeure de CCN pour la couche limite Pacifique, où la nucléation de nouveaux aérosols dans des nuages purs de la Zone de Convergence Intertropicale est transportée en l’air avec la circulation de Hadley et via les longues télé-connexions distribuées sur ~± 30° de latitude^{34, 35}. Dans ces mesures aériennes, le taux de croissance typique des aérosols était estimé de l’ordre de ~0.4 nm h^-135, ce qui implique une moyenne basse de concentration de gaz se condensant de n₀ ~ 4 x 10⁶ molécules cm^-3.

La moyenne annuelle diurne et nocturne des mesures et simulations de la concentration de SA dans la troposphère libre est de l’ordre de n⁰ ~ 10^636.  molécules cm^-3. Cela pourrait bien être cohérent avec l’estimation précédente légèrement plus élevée, étant donné que la section d’aérosol apte à récupérer des aérosols plus petits augmente avec la taille, ce qui améliore le taux de croissance. Deuxièmement, les observations laissent penser que, comme les aérosols pénètrent la couche limite marine, une partie d’entre eux augmentent encore jusqu’à la taille CCN³⁵. Étant donné que l’effet de condensation des ions croit en fonction inverse de n⁰, une concentration de n_⁰ ~ 4 × 10⁶ molécules cm⁻³ diminuerait d’un facteur quatre. Comme on peut le voir à la Fig. 1b, l’effet de la condensation par ion pour un taux d’ionisation de q = 10 paires d’ions cm⁻³ s⁻¹ passerait de 10 à 2,5% ce qui reste important. A noter que d’autres gaz que l’acide sulfurique peuvent contribuer à n_⁰ dans l’atmosphère. Les aérosols étant transportés dans la circulation de Hadley, ils sont envoyés dans la partie supérieure de la troposphère, où l’intensité et la variabilité de l’ionisation par rayons cosmiques est la plus élevée³⁷. Ceci laisse penser qu’il y a de vastes régions où les conditions sont telles que les mécanismes proposés pourraient être importants, c. à d., là où les aérosols nucléés dans la Zone de Convergence Intertropicale sont transportés vers des régions où l’on trouve des variations d’ionisation relativement importantes. Là les aérosols peuvent croître plus rapidement sous l’influence de la condensation par ions, et le taux de croissance perturbé influencera le taux de survie des aérosols et par là la densité résultante de CCN. Au final, les aérosols sont entraînés vers le bas dans la couche limite marine, où les propriétés des nuages sont sensibles à la densité de CCN.

Bien que ce qui précède soit purement spéculatif, il existe des observations qui appuient cette idée. En de rares occasions, le Soleil éjecte du plasma (éjections de masse coronaire) qui peut dépasser la Terre, avec pour effet une soudaine décroissance du flux de rayons cosmiques qui peut se prolonger durant une semaine ou deux. De tels événements, avec une réduction significative du flux de rayons cosmiques, sont appelés des décroissances de Forbush, et permettent de valider le lien entre ionisation par rayons cosmiques et nuages. Une étude complète récente a identifié les décroissances de Forbush les plus fortes, les a classées par ordre de d’importance et rendu obsolètes quelques unes des controverses qui ont entouré ce sujet⁷. Les données atmosphériques provenaient de trois jeux de données satellite indépendantes et d’un jeu de données pour les aérosols⁷. On y peut voir une réponse claire aux cinq plus fortes décroissances de Forbush à la fois dans les aérosols et dans la baisse de l’ennuagement. Le temps moyen global de réponse de l’ennuagement à la variation de l’ionisation fut de ~ 7 jours⁷, ce qui est cohérent avec le taux de croissance de ~0,4 nm h^-1.

Les cinq plus fortes décroissances de Forbush (avec des variations d’ionisation comparables à ce que l’on observe durant un cycle solaire) ont présenté des variations concomitantes des aérosols et de la microphysique des nuages de l’ordre de ~2%⁷. La plage de production d’ions dans l’atmosphère varie entre 2 et 35 paires d’ions s⁻¹ cm⁻³³⁷ et selon la Fig. 1b on peut en déduire qu’une variation de 20% de la production d’ion peut influencer le taux de croissance dans une fourchette de 1 à 4% (dans des conditions immaculées). On suggère que de telles variations du taux de croissance peuvent expliquer les variations de ~2% de l’ennuagement et des aérosols observés durant les décroissances de Forbush⁷. Il faut préciser qu’il ne s’agit pas seulement d’un effet des CCN sur les nuages, mais que l’impact dépendra des différences régionales et des types de nuages. Dans les régions à forte concentration de CCN l’effet sera minime, de plus l’effet sur les nuages convectifs et les nuages de glace sera probablement négligeable. Il peut même y avoir moins de nuages avec des CCN supplémentaires³⁸. La concentration d’ions étant la plus grande avec de faibles concentrations de SA de densités d’aérosols, on pense que l’impact est le plus grand dans les stratus marins.

A une échelle de temps astronomique, le système solaire se déplaçant à travers et entre les bras spiraux de la Galaxie, les variations de flux de rayons cosmiques peuvent être plus importantes^18,19,20. Les régions entre les bras sont susceptibles d’avoir la moitié des flux de rayons cosmiques actuels, alors que dans les bras spiraux, le flux pourrait être au moins 1,5 fois plus important que maintenant. Cela correspondrait à une différence de ~ 10% du taux de croissance des aérosols entre les deux régions. Enfin, si une supernova se produit près de la Terre, comme cela a pu être le cas il y 2 ou 3 millions d’années³⁹, l’ionisation peut augmenter d’un facteur de 100 à 1000 selon sa distance à la Terre et le temps écoulé depuis l’événement. La Figure 1b montre, dans ce cas, que le taux de croissance des aérosols augmente de plus de 50%. Des changements de cette importance devraient avoir un impact profond sur les concentrations de CCN, la formation des nuages et finalement le climat.

En conclusion, nous avons formulé en théorie un mécanisme selon lequel des ions condensent leur masse sur de petits aérosols et accroissent par là leur taux de croissance et de nombreuses expériences se sont avérées être en bon accord avec la théorie. Le mécanisme de condensation induite par ions semble pertinent pour l’atmosphère terrestre dans des conditions immaculées, et capable d’influencer la formation de CCN. On présume que ce mécanisme pourrait expliquer les corrélations observées entre les variations passées du climat et les rayons cosmiques, modulés par l’activité solaire^{13,14,15,16,17} ou l’activité de super nova dans le voisinage du système solaire sur de très grandes échelles de temps^18,19,20. La théorie de la condensation induite par ions devrait être incorporée dans les modèles globaux d’aérosols pour tester pleinement les implications atmosphériques.

Méthodes

Correction de la condensation due aux ions

L’équation (1) développée donne :

(9)

Où les indices 0, +, et – correspondent aux particules neutres et chargées positivement et négativement. Ici r et t sont les rayons des aérosols et le temps. N⁰, N⁺, et N^– expriment la densité des aérosols neutres, positifs et négatifs. n⁰ exprime la concentration de gaz condensable (généralement de l’acide sulfurique durant la phase gazeuse), n⁺ et n^– la concentration des ions positifs et négatifs, A⁰ = (m⁰/4πr²ρ), A⁺ = (m⁺/4πr²ρ)  , et A⁻ = (m⁻/4πr²ρ) , où m⁰ est la masse de la molécule neutre, m⁺ et m^– la masse moyenne des ions positifs/négatifs, ρ est la densité du gaz se condensant, β et le coefficient d’interaction entre les monomères et les aérosols neutres ou chargés. Les paramètres du modèle ci-dessus se trouvent en Fig. 5.

En utilisant l’équilibre entre les aérosols et les ions, nous avons:

(10)

en définissant N^tot = N⁰ + N⁺ + N⁻  on a

(11)

Si nous supposons en outre une symétrie entre les charges positives et négatives, c’est-à-dire que m_ion ≡ m⁺ = m⁻, β^±0 ≡ β⁻⁰ = β⁺⁰, β^±∓ ≡ β⁺⁻ = β⁻⁺ aussi bien que n_ion ≡ n⁺ = n⁻ tel que A^± ≡ A⁺ = A⁻, on trouve:

(12)

et pour N^tot = N⁰ + N⁺ + N⁻, on obtient :

(13)

En utilisant l’équation (12) dans l’équation (9) et en utilisant la symétrie des charges on a :

(14)

En utilisant N^tot comme facteur commun, on a alors :

(15)

En prenant β⁰⁰comme facteur commun et en l’introduisant dans le premier terme de l’équation (13) on arrive à l’expression:

(16)

La fonction ci-dessus est égale à 1 + O(10⁻²), et F est donc remplacé par 1. Un réarrangement simple fournit la forme finale:

(17)

où

(18)

Description détaillée de l’agencement expérimental

Les expériences ont été conduites dans une chambre cubique de 8 m³ en acier inoxydable utilisée pour Svensmark et al. et schématisée à la fig. 6. Un côté de la chambre est constitué d’une feuille de Téflon pour permettre la transmission de lumière UV collimatée (253.7 nm) utilisée pour la photolyse de l’ozone pour générer de l’acide sulfurique qui initie la nucléation d’aérosol. La chambre était balayée en permanence par 20 L min. d’air purifié passant à travers un humidificateur, 5 L min. d’air purifié passant à travers un générateur d’ozone, et 3.5 L min de SO₂ (5 ppm dans l’air, AGA). L’air purifié était fourni par un compresseur avec un dessiccateur et un filtre à charbon actif et acide citrique.

Fig 6

L’agencement expérimental

La chambre était équipée d’analyseurs de gaz pour l’ozone et le dioxyde de soufre (respectivement un Teledyne 400 et un Thermo 43 CTL) et de capteurs de température et d’humidité relative. Pour les mesures d’aérosol, on a utilisé un SMPS (système de mesure des particules mobiles). Ce système se composait d’un classificateur électrostatique (TSI modèle 3080 avec un neutraliseur 3077A Kr685) utilisant un nano-DMA (TSI modèle 3085) avec soit un, soit deux compteurs de particules de condensation (TSI modèle 3775 ou 3776). Pour certaines expériences, on a utilisé un CI API-ToF²⁸ avec HNO₃ comme agent ionisant pour mesurer l’acide sulfurique dans la chambre. L’ionisation dans la chambre pouvait être augmenté à l’aide de deux sources (générateurs) gamma 27 MBq Cs-137 placées à 0,6 m des faces opposées de la chambre, avec la possibilité d’interposer des plaques d’atténuation en plomb de 0,5, 1,0 et 2,0 mm d’épaisseur devant chaque source. A pleine puissance, les sources (générateurs) accroissent l’ionisation de la chambre jusqu’à 212 paires d’ions cm^-3 s^-1.

Détails de l’analyse des données

Il a été procédé à un total de 11 itérations expérimentales totalisant 3100 h de mesures avec des paramètres variés. On trouvera les paramètres des expériences dans la Table1 : Présentation des itérations expérimentales

Pour détecter une éventuelle différence de taux de croissance on a utilisé la méthode suivante. Pour chaque itération, chaque taille (size bin) était normalisée et les périodes individuelles étaient superposées pour réduire le bruit de fond des données, comme montré à la Fig. 2 de l’article principal. Les données superposées étaient alors utilisées pour des analyses supplémentaires. Pour chaque taille enregistrée par le SMPS, le nombre d’aérosols par rapport à la moyenne était alors tracé – comme par exemple dans la courbe supérieure de la Fig. 7. La dérivée de cette courbe est le taux de variation de la densité d’aérosols d’une taille donnée, elle sert à déterminer la position temporelle des profils 1 et 2. Cela peut être fait en calculant d’abord la dérivée , puis en normalisant avec la valeur maximum de cette fonction au diamètre d, (le carré était utilisé pour obtenir un profil nettement défini), puis lissé à l’aide d’un filtre d’échantillonnage d’une largeur typique de 7- 16 min – montré par la courbe inférieur en noir de la Fig. 7. La largeur du filtre d’échantillonnage était généralement déterminée d’après la nécessité de faire converger par exemple l’ajustement Gaussien, dans certains cas un filtre d’échantillonnage plus long était utilisé pour une faible concentration d’acide sulfurique en raison d’un bruit de fond relativement élevé.

Au-dessus de la courbe noire de la Fig. 7, des courbes pointillées rouge et bleue sont superposées. Ce sont les ajustements Gaussiens pour les deux maximas. La position du centre de chaque profil Gaussien donne le temps de croissance en fonction du temps pendant lequel les sources γ étaient ouvertes (profil 1) ou fermées (profil 2). La Figure 8 trace (d(N^tot ∕ ⟨N(d)⟩) ∕dt)² , normalisé avec la valeur maximum de cette fonction au diamètre d, dans le plan (d,t). On peut facilement voir la position du maximum. La courbe noire pointillée et la courbe rouge dans la Fig. 8 sont les maximas obtenus des ajustements Gaussiens des profils 1 et 2.

La différence entre ces temps de croissance donne alors le c pour chaque taille, comme montré en Fig. 3. Les valeurs de ΔT peuvent alors être comparées aux prévisions théoriques. En moyennant les ΔT individuels pour les dimensions entre 6 et 12 mm on obtient finalement le ΔT montré en Fig. 4.

Le ratio m _ion/m ₀

La Table 2 résume les masses moyennes (m/q) d’une série d’itérations utilisant l’API-ToF sans l’unité CI pour mesurer les ions négatifs afin de déterminer le ratio m _ion/m ₀. A noter que l’eau s’évapore dans l’API-ToF donc les masses mesurées sont inférieures aux masses réelles des clusters. Le ratio de 2,25 pour m _ion/m ₀ utilisé dans les calculs impliquerait que pour une molécule sèche (0 eau) neutre d’acide sulfurique (98 AMU) m_ion il serait de 220 m/q. La quantité d’eau sur une molécule d’acide sulfurique varie en fonction de l’humidité relative – pour une RH de 50%, c’est généralement 1-2 molécules d’eau. Prenant 1,5 d’eau et m_ion/m₀ = 2,25 cela donne une masse humide de 281 AMU. Cependant, les expériences furent effectuées sous une RH inférieure à 50% et on note aussi que les ions de sulfate d’hydrogène attirent plus d’eau que les molécules d’acide sulfurique neutre. Enfin, les ions positifs n’étaient pas mesurés et ils sont généralement plus lourds que les ions négatifs²⁷.

Disponibilité des données

Les données générées au cours de la présente étude sont disponibles auprès de l’auteur correspondant sur demande raisonnable.

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