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Posts Tagged ‘CLOUD’

In a paper published in the journal Nature, the CLOUD experiment at CERN reports on a major advance towards solving a long-standing enigma in climate science: how do aerosol particles form in the atmosphere? It is known that all cloud droplets form on aerosols: tiny solid or liquid particles suspended in the air. However, how these aerosol particles form or “nucleate” from atmospheric trace gases – and which gases are responsible – has remained a mystery.

According to the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), aerosol particles and their influence on clouds constitute the biggest uncertainty in assessing human-induced climate change. Understanding how aerosol particles form in the atmosphere is important since in increased concentrations, they cool the planet by reflecting more sunlight and by forming smaller but more numerous cloud droplets. That, in turn, makes clouds more reflective and extends their lifetimes.  These poorly-understood processes currently limit the precision of climate projections for the 21st century.

Thanks to CERN expertise in materials, gas systems and ultra-high vacuum technologies, the CLOUD team was able to build a chamber with unprecedented cleanliness. This enabled them to introduce minute amounts of various atmospheric vapours into an initially “pure” atmosphere under carefully controlled conditions, and start unravelling the mystery.

The researchers made two key discoveries. Firstly, they found that minute concentrations of amines can combine with sulphuric acid to form aerosol particles at rates similar to atmospheric observations. Secondly, using a pion beam from the CERN Proton Synchrotron, they found that cosmic radiation has a negligible influence on the formation rates of these particular aerosol particles.

CLOUD

This detailed plot shows the nucleation rate (i.e. the rate at which aerosol particles form) against sulphuric acid concentration. The small coloured squares in the background show atmospheric observations. The CLOUD measurements (large symbols) were obtained with various vapours in the chamber (curve 1: only sulphuric acid and water; curve 2: with ammonia added; curve 3 to 5: with amines added). The dashed lines and coloured bands show the theoretical expectations for ammonia+sulphuric acid (blue) and amine+sulphuric acid (red/orange) nucleation, based on quantum chemical calculations. Only amines reproduced the nucleation rates observed in the atmosphere, while ammonia was a thousand times too small.

Amines are atmospheric vapours closely related to ammonia, arising from human activities such as animal farming and also from natural sources. Amines are responsible for the familiar odours emanating from the decomposition of organic matter that contains proteins. For example, the smell of rotten fish is due to trimethylamine.

Thanks to their unique ultra-clean chamber, the CLOUD scientists have shown for the first time that the extremely low concentrations of amines typically found in the atmosphere (namely a few parts per trillion by volume or pptv) are sufficient to combine with sulphuric acid to form highly stable aerosol particles at rates similar to those observed in the lower atmosphere, as shown on the figure above.

JasperJasper Kirkby, spokesperson of the CLOUD experiment, crouched inside the ultra-clean chamber used for these measurements.

The precise laboratory measurements have allowed the team to develop a fundamental understanding of the nucleation process at a molecular level. The scientists can even reproduce their experimental results using quantum chemical calculations of molecular clustering.

This is the first time an experiment has reproduced the formation rates of atmospheric particles with complete measurements of the participating molecules. So the CLOUD results represent a major advance in our understanding of atmospheric nucleation.

Nobody expected that the formation rate of aerosol particles in the lower atmosphere would be so sensitive to amines. A large fraction of amines arise from human activities, but they have not been considered so far by the IPCC in their climate assessments. The CLOUD experiment has therefore revealed an important new mechanism that could contribute to a presently unaccounted cooling effect.

Moreover, a technique called “amine scrubbing” is likely to become the dominant technology to capture the carbon dioxide emitted by fossil-fuel power plants. Hence, amine emissions are expected to increase in the future and will now need to be considered when assessing the impact of human activities on past and future climate.

Pauline Gagnon

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Dans un article publié dans la revue Nature, l’expérience CLOUD du CERN révèle une avancée majeure vers la résolution d’une énigme de longue date en science du climat: comment les particules d’aérosols se forment-elles dans l’atmosphère? On sait que toutes les gouttelettes au sein des nuages se forment à partir d’aérosols, les minuscules particules solides ou liquides en suspension dans l’air. Mais comment ces aérosols se forment, leur “nucléation” à partir de traces de gaz dans l’atmosphère, et quels gaz contribuaient au processus, demeuraient un mystère.

Selon le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC), les particules d’aérosols et leur influence sur les nuages constituent l’inconnu majeur dans l’évaluation du changement climatique d’origine humaine. Comprendre comment les particules d’aérosols se forment dans l’atmosphère est donc essentiel. En plus grande concentration, les aérosols contribuent au refroidissement de la planète car ils réfléchissent davantage les rayons solaires et forment de plus petites mais plus nombreuses gouttelettes nuageuses. Tout cela fait des nuages plus réfléchissants et prolonge leur durée de vie. Ces processus étaient mal compris et limitaient actuellement la précision des projections climatiques pour le 21e siècle.

Grâce à l’expertise du CERN en science des matériaux, systèmes de gaz et technologie de l’ultra-vide, l’équipe de CLOUD a pu construire une chambre d’une propreté sans précédent. Cela leur a permis d’introduire des quantités infimes de diverses vapeurs atmosphériques dans une atmosphère d’abord «pure» et dans des conditions soigneusement contrôlées, et commencer ainsi à percer le mystère.

Les chercheur-e-s ont fait deux découvertes clés. Tout d’abord, que des concentrations infimes d’amines peuvent se combiner avec de l’acide sulfurique pour former des particules d’aérosols, et ce à des taux similaires aux observations atmosphériques. Deuxièmement, en utilisant un faisceau de pions du Synchrotron à protons du CERN, ils et elles ont démontré que le rayonnement cosmique a une influence négligeable sur les taux de formation de ces particules d’aérosols.
CLOUD

Le graphe détaillé ci-dessus montre le taux de nucléation (c’est-à-dire la vitesse à laquelle les particules d’aérosols se forment) en fonction de la concentration en acide sulfurique. Les petits carrés de couleur en arrière-plan donnent les valeurs qu’on retrouve dans l’atmosphère. Les mesures de CLOUD (grands symboles) ont été obtenues en introduisant différentes vapeurs dans la chambre (courbe 1: seulement de l’acide sulfurique et de l’eau, courbe 2: avec ajout d’ammoniaque; courbes 3 à 5: avec ajout d’amines). Les lignes en pointillés et les bandes de couleur indiquent les taux de nucléation théoriques pour ammoniaque + acide sulfurique (bleu) et amine + acide sulfurique (rouge / orange), basés sur des calculs de chimie quantique. Seuls les amines reproduisent les taux de nucléation observés dans l’atmosphère, tandis que l’ammoniaque donne un taux mille fois trop petit.

Les amines sont des vapeurs atmosphériques étroitement liées à l’ammoniaque qui proviennent d’activités humaines telles que l’élevage mais aussi de sources naturelles. Les amines sont responsables des odeurs associées à la décomposition de matière organique contenant des protéines. Par exemple, l’odeur de poisson pourri est due à la triméthylamine.

Grâce à leur chambre ultra-propre unique, les scientifiques de CLOUD ont montré pour la toute première fois que des concentrations extrêmement faibles d’amines telles qu’on en trouve généralement dans l’atmosphère (à savoir quelques parties par billion en volume ou pptv) suffisent. Les amines peuvent alors se combiner avec de l’acide sulfurique et former des particules d’aérosols très stables à des taux similaires à ceux observés dans la basse atmosphère, comme l’indique le graphe ci-dessus.

Jasper

Jasper Kirkby, porte-parole de l’expérience CLOUD accroupi à l’intérieur de la chambre unltra-propre utilisée pour ces travaux.

Ces mesures précises en laboratoire ont permis à l’équipe de CLOUD de comprendre de façon fondamentale le processus de nucléation au niveau moléculaire. Les scientifiques peuvent même reproduire leurs résultats expérimentaux en utilisant des calculs de chimie quantique de nucléation moléculaire.

C’est la première fois qu’une expérience a pu reproduire les taux de formation des particules atmosphériques en connaissant parfaitement les molécules participantes. Ainsi, les résultats de CLOUD représentent une avancée majeure dans notre compréhension de la nucléation atmosphérique.

Personne ne s’attendait à ce que le taux de formation des particules d’aérosol dans la basse atmosphère soit si sensible aux amines. Une grande partie des amines résultent de l’activité humaine, mais elles n’ont pas été considérées jusqu’ici par le GIEC dans leur évaluation du climat. L’expérience CLOUD a donc révélé un nouveau mécanisme important qui pourrait contribuer à un effet de refroidissement mais qui avait été négligé jusqu’à présent.
Par ailleurs, une technique appelée « lavage aux amines » est susceptible de devenir la technologie dominante pour capturer le dioxyde de carbone émis par les centrales électriques à combustibles fossiles. Par conséquent, les émissions d’amines pourraient augmenter à l’avenir et devront maintenant être prises en compte lors de l’évaluation de l’impact des activités humaines sur le climat passé et futur.

Pauline Gagnon

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