Des chercheurs à l’Institut Paul Scherrer PSI ont découvert, dans le cadre d’une expérience menée en laboratoire, comment le carbone brun issu des feux de végétation favorise dans l’atmosphère la formation d’oxydes d’azote nocifs pour la santé et le climat. Ces résultats, qui permettent de mieux prédire les effets des feux en milieu naturel sur la qualité de l’air et sur le climat, ont été publiés dans la revue spécialisée Science Advances.
Nous associons les feux de végétation à une mer de flammes. Mais qu’advient-il de la fumée qu’ils dégagent? En observant le phénomène de loin, on remarque avant tout les immenses nuages qui s’amoncellent au-dessus du brasier. D’une hauteur de plusieurs kilomètres, ils entament ensuite un voyage qui peut s’étendre sur plusieurs continents et traverser les océans. Les polluants issus des feux de forêt au Canada sont par exemple encore détectables au Jungfraujoch, dans les Alpes suisses.
Ces polluants – parmi lesquels figurent les particules fines, le dioxyde de carbone et les oxydes d’azote – ont des effets multiples et bien documentés sur la qualité de l’air et sur le climat: ils provoquent notamment des maladies respiratoires et, par le biais de l’effet de serre, accélèrent le changement climatique. Une équipe scientifique menée par Markus Ammann, chercheur au Centre des sciences de l’énergie et de l’environnement à l’Institut Paul Scherrer PSI, s’est penchée plus en détail sur l’apparition de ces polluants et a trouvé une explication au fait que l’on observe encore des concentrations élevées d’oxyde d’azote même à grande distance des incendies de végétation.
Le cycle des oxydes d’azote
Les oxydes d’azote (NOx) – c’est-à-dire des composés constitués d’un atome d’azote et d’un ou deux atomes d’oxygène – sont générés lors des processus de combustion. Les feux de végétation et la foudre en sont des sources naturelles. Cependant, en raison de la combustion de combustibles fossiles, les concentrations actuelles d’oxydes d’azote dans les agglomérations sont bien plus élevées qu’à l’époque préindustrielle.
Dans la basse atmosphère, les oxydes d’azote sont responsables de la formation de l’ozone, un gaz à effet de serre et irritant. De plus, les oxydes d’azote s’oxydent dans l’atmosphère pour former de l’acide nitrique (HNO₃). Celui-ci se dissout sous forme de nitrate dans de minuscules particules d’aérosol, qui servent de noyaux de condensation pour les gouttelettes de nuages. La pluie ramène le nitrate sur terre, où il se dépose dans le sol.
En raison de cette transformation continue des oxydes d’azote en nitrate, on devrait en fin de compte en trouver dans l’atmosphère une quantité bien inférieure à celle qui y est réellement présente.
Il existe certes dans l’atmosphère un processus inverse déjà connu: sous l’effet de la lumière du soleil, le nitrate peut être reconverti en oxyde d’azote. Ce processus s’appelle la photolyse. «Ce processus est toutefois beaucoup trop lent et ne peut donc pas expliquer les quantités d’oxyde d’azote observées», explique Markus Ammann.
Une hypothèse en chimie des aérosols était donc qu’outre cette photolyse lente et connue, il devait exister une autre photolyse plus rapide – et que d’autres substances libérées lors des feux de forêt pourraient jouer un rôle à cet égard.
Feu de végétation simulé dans un poêle à bois
Les feux de végétation se distinguent des autres sources d’oxydes d’azote en ce qu’ils génèrent également une grande quantité de particules fines issues de composés organiques, dont un peu de suie. Cela s’explique par la combustion incomplète du bois et d’autres biomasses. Ce sont ces particules fines organiques qui donnent à la fumée sa couleur blanc grisâtre. Une partie des composés organiques absorbe la lumière dans le spectre visible. Ils sont regroupés sous le terme de «carbone brun».
Afin d’étudier l’influence du carbone brun sur la photolyse, les chercheurs du PSI ont mené une expérience en laboratoire: dans un poêle à bois, ils ont d’abord simulé un feu de végétation en réduisant l’apport d’air de manière à produire davantage de fumée – et donc davantage de carbone brun. Ils l’ont ensuite capté à l’aide de filtres, puis dissous dans de l’eau et enfin placé dans un tube en verre à température constante.
Les chercheurs ont ensuite exposé le nitrate à la lumière de différentes lampes UV simulant la lumière solaire dans diverses situations – une fois sans ajout du carbone brun collecté et une fois avec. Ils ont alors mesuré à chaque fois la concentration des oxydes d’azote ainsi produits.
La lumière contenant un rayonnement UV de plus haute énergie, c’est-à-dire une lumière UV intense, a systématiquement généré des oxydes d’azote. La photolyse du nitrate sous l’effet d’une lumière UV intense est un phénomène connu. La quantité d’oxyde d’azote était toutefois nettement plus élevée dans les échantillons contenant également du carbone brun.
«Cependant, lorsque nous avons utilisé des lampes ne contenant pas de rayons UV intenses, nous n’avons pu détecter des oxydes d’azote qu’en présence de carbone brun», explique Fengxia Bao, chercheuse au sein du groupe de Markus Ammann et première autrice de l’étude.
Comme une photolyse directe n’est pas possible avec la lumière UV douce restante, les chercheurs ont conclu que, dans ce cas, la formation d’oxyde d’azote se fait par un processus indirect: les substances organiques présentes dans le carbone brun absorbent la lumière UV douce. Elles entrent ainsi dans un état excité et peuvent céder un électron au nitrate, qui est ainsi transformé en oxyde d’azote. De cette manière, la production d’oxyde d’azote est multipliée par dix par rapport au processus connu utilisant des rayons UV intenses.
Un effet puissant
«Il s’agit d’un résultat clair et solide», dit Markus Ammann. «Nous avons pu démontrer, par cette expérience, ce qui n’était jusqu’à présent qu’une vague supposition. Notre étude permettra de mieux prédire les effets des feux de végétation sur la qualité de l’air et sur le climat.»
D’autres travaux sont nécessaires afin de mieux comprendre les autres voies de formation de l’oxyde d’azote, ajoute Markus Ammann: «Notre résultat peut expliquer la majeure partie des oxydes d’azote présents dans l’atmosphère, mais pas tous.»
À l’avenir, il souhaite rendre ses recherches, qui ont été financées dans le cadre du projet ReCLEAN du Conseil des EPF, encore plus réalistes. Ainsi, dans la chambre de simulation du PSI, il serait par exemple envisageable d’utiliser l’ensemble de la matière brûlée, et pas seulement les composants filtrés et dissous dans l’eau.