Découverte d’une nouvelle source importante d’oxydation dans l’atmosphère

Les hydroperoxydes sont des oxydants puissants qui ont une influence significative sur les processus chimiques dans l’atmosphère. Maintenant, une équipe de recherche internationale impliquant l’Institut Leibniz pour la recherche troposphérique (TROPOS) a montré que ces substances se forment également à partir d’acides α‑cétoniques tels que l’acide pyruvique dans les nuages, la pluie et l’eau des aérosols lorsqu’ils sont exposés à la lumière du soleil. Ces réactions pourraient être responsables de 5 à 15 pour cent du peroxyde d’hydrogène (H₂O₂) atmosphérique observé dans la phase aqueuse. Cela signifie que la photolyse des acides α-cétoniques a maintenant été identifiée comme une autre source importante d’oxydants atmosphériques, écrivent les chercheurs dans Science Advances. Puisque ces processus d’oxydation influencent à la fois la formation et la dégradation des particules et des polluants atmosphériques, la nouvelle voie réactionnelle découverte est d’une grande importance pour les prévisions de la qualité de l’air et du climat.

La clé de cette découverte sont les acides α-cétoniques. Ces acides carboxyliques contiennent un groupe supplémentaire dit céto avec un atome de carbone et un atome d’oxygène doublement lié. Les acides α-cétoniques pénètrent dans l’atmosphère par différentes réactions à partir d’un certain nombre de gaz précurseurs tels que l’isoprène, les aromatiques ou l’acétylène, qui peuvent être d’origine biogénique ou anthropique – provenant à la fois de la végétation et de l’industrie. Ils sont répandus et jouent un rôle fondamental dans la vie sur Terre, par exemple en biochimie dans le métabolisme des acides aminés dans les cellules. Cependant, leur importance pour l’atmosphère et le climat mondial a été plutôt sous-estimée jusqu’à présent. En utilisant trois acides α-cétoniques (acide glyoxylique, acide pyruvique et acide 2-cétobutyrique), les chercheurs ont pu démontrer dans des expériences en laboratoire et des calculs de modélisation que ces substances, avec la lumière, sont impliquées dans la formation d’hydroperoxydes, qui produisent à leur tour du peroxyde d’hydrogène. Ces processus ont lieu dans la phase liquide atmosphérique – en d’autres termes, dans les particules contenant de l’eau.

Le département de chimie atmosphérique du TROPOS à Leipzig a utilisé les données de laboratoire de Shanghai et de Turin dans son modèle de phase liquide CAPRAM (Chemical Aqueous Phase Radical Mechanism) pour évaluer les effets atmosphériques des résultats de laboratoire et faire des projections. Le modèle CAPRAM a été affiné au cours de nombreuses années de travail au point où il peut cartographier des chaînes de réaction hautement complexes, et de telles nouvelles découvertes ont maintenant été incorporées comme de nouveaux canaux de rétroaction.

« Ce travail fournit le premier cadre quantitatif pour la formation d’hydroperoxydes à partir d’acides α‑cétoniques et clarifie les dépendances au pH et à la concentration qui sont cruciales pour les modèles atmosphériques. Grâce à la coopération internationale, nous avons réussi à trouver une autre pièce du puzzle dans le domaine hautement complexe de la chimie atmosphérique multiphasique », explique le Prof. Hartmut Herrmann du TROPOS et de l’Université du Shandong à Qingdao. 

L’étude maintenant publiée fournit des approches initiales, mais met également en évidence des lacunes dans les connaissances : par exemple, il manque des mesures systématiques sur le terrain des concentrations d’acides α-cétoniques dans les aérosols et l’eau des nuages dans différents environnements, qui sont nécessaires pour incorporer ces mécanismes dans les modèles climatiques. De telles études aideraient à mieux estimer le bilan global des hydroperoxydes dans l’atmosphère et leur rôle dans la formation de particules dans la phase aqueuse et la production de sulfate.

L’étude a impliqué des chercheurs de l’Académie chinoise des sciences (Guangzhou), du Guangdong Technion – Israel Institute of Technology, de l’Institut Weizmann des sciences, de l’Université Fudan (Shanghai), de l’Université de l’Académie chinoise des sciences (Pékin), de l’Université de technologie de Kunming, de l’Université de Turin, de l’Université du Shandong (Qingdao) et de l’Institut Leibniz pour la recherche troposphérique (TROPOS). Trois experts des processus photochimiques dans les liquides atmosphériques ont joué un rôle important dans la collaboration : Sasho Gligorovski, qui a écrit sa thèse de doctorat au TROPOS à Leipzig il y a 20 ans, a ensuite mené des recherches en France, est devenu professeur à l’Institut de géochimie de Guangzhou de l’Académie chinoise des sciences, et mène des recherches au Guangdong Technion – Israel Institute of Technology (GTIIT) depuis 2025. Davide Vione, qui travaille comme professeur à l’Université de Turin. Et le Prof. Hartmut Herrmann, qui mène des recherches sur le système multiphasique troposphérique au TROPOS et à l’Université de Leipzig depuis 1998, ainsi qu’à l’Université du Shandong depuis 2018 et à l’Université Fudan à Shanghai depuis 2019.

Article : Evidence for Hydroperoxides Formation through Atmospheric Aqueous Photochemistry of α-Keto acids – Journal : Science Advances – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude