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Comment se forme la pollution atmosphérique ? De nouvelles perspectives

Des chercheurs de l'Institut Fritz Haber de la Société Max-Planck à Berlin, de l'Institut de Recherche sur l'Environnement et l'Énergie du Qatar/Université Hamad Bin Khalifa, des synchrotrons PETRA III à Hambourg et SOLEIL, de Sorbonne Université à Paris, de l'ETH Zurich et du Centre PSI pour la Science de l'Énergie et de l'Environnement (Suisse), ont fait une découverte révolutionnaire pour la compréhension des mécanismes moléculaires de la formation de la pollution atmosphérique. Leur étude, publiée dans la revue Nature Communications, éclaire les processus chimiques complexes qui se produisent à l'interface entre un liquide, notamment les solutions aqueuses, et la vapeur dans notre atmosphère.
À SOLEIL, c’est la ligne de lumière PLEAIDES qui a contribué à ces résultats.
(Source: Institut Fritz Haber)

Cette étude internationale se concentre sur les différences des équilibres acide-base complexes (c'est-à-dire le rapport entre les composés acides et basiques) à l'intérieur d'une solution d'une part, et à l'interface même entre la solution et la vapeur environnante d'autre part. Alors qu'il est relativement simple de mesurer les équilibres acide-base dans le corps d'une solution en utilisant des méthodes de pointe, la détermination de ces équilibres à la frontière entre la solution et la phase gazeuse environnante reste un défi. Bien que cette couche limite soit environ cent mille fois plus fine qu'un cheveu humain, elle joue un rôle crucial dans les processus qui influencent la pollution de l'air et le changement climatique. Examiner la chimie de la frontière solution-vapeur à l'échelle moléculaire permet ainsi de développer des modèles améliorés pour mieux comprendre le devenir des aérosols dans l'atmosphère et leur influence sur le climat mondial.

La contribution de SOLEIL

La station expérimentale de spectroscopie d’électrons sur les liquides de la ligne de lumière PLEIADES a contribué à une série de mesures menées principalement au synchrotron PETRA III (P04 beamline, Allemagne) mais aussi au synchrotron Swiss Light Source (Surface/Interface Microscopy beamline, Suisse), et dont l’objectif était d’établir les processus chimiques complexes qui se produisent à la limite entre le liquide, en particulier les solutions aqueuses, et la vapeur dans notre atmosphère. 

Figure 1 : station expérimentale de la ligne PLEIADES sur laquelle les mesures ont été effectuées.

Résultats clés

1/ Détermination d'équilibres acide-base complexes : Les chercheurs ont utilisé des méthodes spectroscopiques complémentaires pour déchiffrer les équilibres acide-base complexes qui résultent lorsque le polluant dioxyde de soufre (SO₂) est dissous dans l'eau.

2/ Comportement unique à l'interface liquide-vapeur : En conditions acides, l'équilibre tautomérique entre le bisulfite et le sulfonate est fortement décalé en faveur de l'espèce sulfonate.

3/ Stabilisation à l'interface : Des simulations de dynamique moléculaire ont révélé que l'ion sulfonate et son acide (acide sulfonique) sont stabilisés à l'interface en raison de l'appariement ionique et de barrières de déshydratation plus élevées. Cela explique pourquoi les équilibres tautomériques sont décalés à l'interface.

Implications pour la pollution de l'air 

Les résultats mettent en lumière les comportements contrastés des produits chimiques à l'interface par rapport à l'environnement global de la solution. Cette différence a un impact significatif sur la manière dont le dioxyde de soufre est absorbé et réagit avec d'autres polluants tels que les oxydes d'azote (NOx) et le peroxyde d'hydrogène (H₂O₂) dans l'atmosphère. Comprendre ces processus est essentiel pour développer des stratégies visant à réduire la pollution de l'air et ses effets nocifs sur la santé et l'environnement.

 

Image d’illustration : La combinaison de la spectroscopie et des simulations atomistes permet une meilleure compréhension des processus spécifiques à l'échelle moléculaire qui gouvernent la formation de la pollution de l'air.
© arrière-plan nuageux : Centre Spatial Goddard de la NASA, image s3v-1280 (https://svs.gsfc.nasa.gov/11685/).