Les nuages se forment lorsque la vapeur d’eau – un gaz invisible dans l’atmosphère – adhère à de minuscules particules flottantes, telles que la poussière, et se transforme en gouttelettes d’eau liquide ou en cristaux de glace. Dans une étude récemment publiée, nous montrons que les particules de microplastiques peuvent avoir les mêmes effets, produisant des cristaux de glace à des températures de 5 à 10 degrés Celsius (9 à 18 degrés Fahrenheit) plus élevées que les gouttelettes sans microplastiques.
Cela suggère que les microplastiques dans l’air peuvent affecter le temps et le climat en produisant des nuages dans des conditions où ils ne se formeraient pas autrement.
Nous sommes des chimistes de l’atmosphère qui étudient comment différents types de particules forment de la glace lorsqu’elles entrent en contact avec de l’eau liquide. Ce processus, qui se produit constamment dans l’atmosphère, est appelé nucléation.
Les nuages dans l’atmosphère peuvent être constitués de gouttelettes d’eau liquide, de particules de glace ou d’un mélange des deux. Dans les nuages de l’atmosphère moyenne à supérieure, où les températures se situent entre 32 et moins 36 F (0 et moins 38 C), les cristaux de glace se forment normalement autour de particules de poussière minérale provenant de sols secs ou de particules biologiques, telles que le pollen ou les bactéries.
Les microplastiques ont une largeur inférieure à 5 millimètres, soit la taille d’une gomme à crayon. Certains sont microscopiques. Les scientifiques en ont trouvé dans les mers profondes de l’Antarctique, au sommet du mont Everest et dans la neige fraîche de l’Antarctique. Ces fragments étant si petits, ils peuvent être facilement transportés dans l’air.
L’importance de la glace
La glace dans les nuages a des effets importants sur le temps et le climat, car la plupart des précipitations commencent généralement par des particules de glace.
Dans les zones non tropicales du monde entier, de nombreux sommets de nuages s’étendent suffisamment haut dans l’atmosphère pour que l’air froid fasse geler une partie de leur humidité. Une fois formée, la glace aspire la vapeur d’eau des gouttelettes liquides qui l’entourent, et les cristaux deviennent suffisamment lourds pour tomber. Si la glace ne se forme pas, les nuages ont tendance à s’évaporer au lieu de provoquer des chutes de pluie ou de neige.
Les enfants apprennent à l’école primaire que l’eau gèle à 0°C, mais ce n’est pas toujours vrai. En l’absence d’un élément sur lequel se fixer, comme des particules de poussière, l’eau peut être surfondue jusqu’à des températures aussi basses que moins 36 F (moins 38 C) avant de geler.
Pour que la congélation se produise à des températures plus chaudes, il faut qu’un matériau qui ne se dissout pas dans l’eau soit présent dans la gouttelette. Cette particule fournit une surface où le premier cristal de glace peut se former. La présence de microplastiques peut entraîner la formation de cristaux de glace, ce qui pourrait augmenter les chutes de pluie ou de neige.
Les nuages influencent également le temps et le climat de plusieurs manières. Ils réfléchissent la lumière solaire entrante loin de la surface de la Terre, ce qui a un effet refroidissant, et absorbent certaines radiations émises par la surface de la Terre, ce qui a un effet réchauffant.
La quantité de lumière solaire réfléchie dépend de la quantité d’eau liquide ou de glace contenue dans le nuage. Si les microplastiques augmentent la présence de particules de glace dans les nuages par rapport aux gouttelettes d’eau liquide, ce changement de ratio pourrait modifier l’effet des nuages sur l’équilibre énergétique de la Terre.
Comment nous avons travaillé
Pour déterminer si les fragments de microplastique pouvaient servir de noyaux aux gouttelettes d’eau, nous avons utilisé quatre des types de plastique les plus répandus dans l’atmosphère : le polyéthylène basse densité, le polypropylène, le chlorure de polyvinyle et le polyéthylène téréphtalate. Chacun a été testé à l’état pur et après exposition aux rayons ultraviolets, à l’ozone et aux acides. Tous ces éléments sont présents dans l’atmosphère et pourraient affecter la composition des microplastiques.
Nous avons suspendu les microplastiques dans de petites gouttelettes d’eau que nous avons lentement refroidies pour observer leur congélation. Nous avons également analysé les surfaces des fragments de plastique pour déterminer leur structure moléculaire, car la nucléation de la glace pourrait dépendre de la chimie de surface des microplastiques.
Pour la plupart des plastiques étudiés, 50 % des gouttelettes étaient gelées lorsqu’elles ont été refroidies à moins 8 F (moins 22 C). Ces résultats correspondent à ceux d’une autre étude récente menée par des scientifiques canadiens, qui ont également constaté que certains types de microplastiques produisent de la glace à des températures plus chaudes que les gouttelettes sans microplastiques.
L’exposition aux rayons ultraviolets, à l’ozone et aux acides a eu tendance à diminuer l’activité de nucléation de la glace sur les particules. Cela suggère que la nucléation de la glace est sensible à de petits changements chimiques à la surface des particules de microplastiques. Cependant, ces plastiques ont quand même nucléé de la glace, et pourraient donc encore affecter la quantité de glace dans les nuages.
Ce que l’on ne sait pas encore
Pour comprendre comment les microplastiques affectent le temps et le climat, nous devons connaître leurs concentrations aux altitudes où les nuages se forment. Nous devons également connaître la concentration des microplastiques par rapport à d’autres particules susceptibles de nucléer la glace, telles que les poussières minérales et les particules biologiques, afin de déterminer si les microplastiques sont présents à des niveaux comparables. Ces mesures nous permettraient de modéliser l’impact des microplastiques sur la formation des nuages.
Les fragments de plastique sont de tailles et de compositions diverses. Dans nos recherches futures, nous prévoyons de travailler avec des plastiques contenant des additifs, tels que des plastifiants et des colorants, ainsi qu’avec des particules de plastique plus petites.
Miriam Freedman, Professor of Chemistry, Penn State and Heidi Busse, PhD Student in Chemistry, Penn State
Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l’ article original.
