Notre société industrialisée libère de nombreux polluants divers dans le monde. La combustion, en particulier, produit une masse d’aérosols comprenant du carbone noir. Bien que cela ne représente que quelques pourcents des particules d’aérosol, le carbone noir est particulièrement problématique en raison de sa capacité à absorber la chaleur et à entraver les capacités de réflexion thermique de surfaces telles que la neige.
Il est donc essentiel de comprendre comment le carbone noir interagit avec la lumière du soleil. Les chercheurs ont quantifié l’indice de réfraction du carbone noir avec une précision inégalée, ce qui pourrait avoir un impact sur les modèles climatiques.
De nombreux facteurs contribuent au changement climatique ; certains sont très familiers, comme les émissions de dioxyde de carbone provenant de la combustion des combustibles fossiles, le dioxyde de soufre de la fabrication du ciment ou les émissions de méthane de l’agriculture animale.
Les particules d’aérosol de carbone noir, également issues de la combustion, sont moins couvertes par les médias, mais sont particulièrement importantes. Le carbone noir, essentiellement de la suie, est très efficace pour absorber la chaleur du soleil et la stocker, contribuant ainsi à la chaleur atmosphérique. En même temps, les couleurs sombres étant moins efficaces pour réfléchir la lumière et donc la chaleur, lorsque le carbone noir recouvre des surfaces plus claires, y compris la neige, il réduit la capacité de ces surfaces à renvoyer la chaleur dans l’espace.
« Comprendre l’interaction entre le carbone noir et la lumière du soleil est d’une importance fondamentale dans la recherche sur le climat », a déclaré le professeur assistant Nobuhiro Moteki du département des sciences de la Terre et des planètes de l’Université de Tokyo. « La propriété la plus critique du carbone noir à cet égard est son indice de réfraction, c’est-à-dire comment il redirige et disperse les rayons lumineux entrants. Cependant, les mesures existantes de l’indice de réfraction du carbone noir étaient inexactes. Mon équipe et moi avons entrepris des expériences détaillées pour améliorer cela. Grâce à nos mesures améliorées, nous estimons maintenant que les modèles climatiques actuels pourraient sous-estimer l’absorption du rayonnement solaire due au carbone noir de 16% significatif. »
Les mesures précédentes des propriétés optiques du carbone noir étaient souvent confondues par des facteurs tels que le manque d’échantillons purs, ou les difficultés à mesurer les interactions lumineuses avec des particules de formes complexes différentes.
Moteki et son équipe ont amélioré cette situation en capturant les particules de carbone noir dans l’eau, puis en les isolant avec des sulfates ou d’autres produits chimiques solubles dans l’eau. En isolant les particules, l’équipe a pu mieux les éclairer et analyser la manière dont elles dispersent la lumière, ce qui a permis aux chercheurs de calculer la valeur de l’indice de réfraction.
« Nous avons mesuré l’amplitude, ou la force, et la phase, ou l’étape, de la lumière dispersée à partir d’échantillons de carbone noir isolés dans l’eau », a déclaré Moteki. « Cela nous a permis de calculer ce que l’on appelle l’indice de réfraction complexe du carbone noir. Complexe car au lieu d’être un seul nombre, c’est une valeur qui contient deux parties, dont l’une est ‘imaginaire’ (concernant l’absorption), bien que son impact soit très, très réel. De tels nombres complexes avec des composantes imaginaires sont en fait très courants dans le domaine de la science optique et au-delà. »
Les nouvelles mesures optiques du carbone noir impliquent que les modèles climatiques actuels sous-estiment sa contribution au réchauffement atmosphérique.
L’équipe espère que d’autres chercheurs sur le climat et les décideurs politiques pourront tirer parti de leurs résultats. La méthode mise au point par l’équipe pour déterminer l’indice de réfraction complexe des particules peut être appliquée à des matériaux autres que le carbone noir. Cela permet l’identification optique de particules inconnues dans l’atmosphère, l’océan ou les carottes de glace, et l’évaluation des propriétés optiques de matériaux en poudre, pas seulement celles liées au problème persistant du changement climatique.
Article de journal : Nobuhiro Moteki, Sho Ohata, Atsushi Yoshida & Kouji Adachi. « Constraining the complex refractive index of black carbon particles using the complex forward-scattering amplitude », Aerosol Science and Technology. DOI: 10.1080/02786826.2023.2202243
