Absorption des ondes courtes par la fumée des incendies de forêt dominée par le carbone brun foncé

May 29, 2023

Nature Geoscience volume 16, pages 683-688 (2023)Citer cet article

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Les incendies de forêt émettent dans l’atmosphère de grandes quantités de carbone noir et de carbone organique absorbant la lumière, appelé carbone brun. Ces particules perturbent le bilan radiatif de la Terre en absorbant le rayonnement incident à ondes courtes. On pense généralement que le carbone brun perd sa capacité d’absorption après son émission dans l’atmosphère en raison du blanchiment photochimique provoqué par la lumière solaire. Par conséquent, l’effet de réchauffement atmosphérique exercé par le carbone brun reste très variable et mal représenté dans les modèles climatiques par rapport à celui du carbone noir, relativement non réactif. Étant donné que les incendies de forêt devraient augmenter à l’échelle mondiale dans les décennies à venir, il est de plus en plus important de quantifier ces impacts radiatifs. Nous présentons ici des mesures de l'absorption des ondes courtes à l'échelle de l'ensemble et à l'échelle des particules dans les panaches de fumée provenant des incendies de forêt dans l'ouest des États-Unis. Nous constatons qu’un type de carbone brun foncé contribue aux trois quarts de l’absorption de la lumière visible courte et à la moitié de l’absorption de la lumière visible longue. Cette espèce d'aérosol organique fortement absorbante est insoluble dans l'eau, résiste au photoblanchiment diurne et augmente son pouvoir d'absorption avec le traitement atmosphérique nocturne. Nos résultats suggèrent que les paramétrisations du carbone brun dans les modèles climatiques doivent être révisées pour améliorer l'estimation du forçage radiatif des aérosols de fumée et du réchauffement associé.

Les aérosols de fumée des incendies de forêt provoquent un fort réchauffement atmosphérique et un refroidissement important des surfaces qui sont aussi importants pour le changement climatique de la Terre que le dioxyde de carbone et d'autres gaz à effet de serre1,2. La composition massique des aérosols de fumée est principalement (>95 %) organique (OA) avec des fractions minoritaires (<3 %) de matières inorganiques et de noir de carbone graphitique (BC)2,3, ce dernier étant considéré comme l'absorbeur dominant des ondes courtes entrantes. rayonnement solaire4. Les caractéristiques d'absorption de la lumière de l'OA varient considérablement et restent mal contraintes dans les modèles climatiques5,6. Actuellement, les contributions au réchauffement atmosphérique de l'OA absorbant la lumière résidant dans un panache sont soit ignorées, soit considérées comme négligeables en raison du photoblanchiment par rapport au BC relativement non réactif dans les paramétrages du modèle .

L'opinion traditionnelle soutient que les chromophores de l'OA absorbent principalement les courtes longueurs d'onde de la lumière visible, mais de manière négligeable les longueurs d'onde visibles les plus longues, ce qui donne un aspect visuel brunâtre ou jaunâtre, d'où le nom optique de « carbone brun » (BrC)9,10. Les techniques courantes utilisées pour mesurer la BrC en laboratoire ou sur le terrain impliquent l’extraction par solvant de la fraction organique soluble des particules, suivie d’une mesure de l’absorbance globale par spectrophotométrie ultraviolette (UV) – visible – infrarouge11,12,13. L'absorbance mesurée du BrC soluble est ensuite convertie en indice de réfraction imaginaire k qui s'étend généralement sur des valeurs comprises entre 10−4 et 10−2 sur la plage de longueurs d'onde λ de 380 et 500 nm6,14,15. Ainsi, le composant BrC soluble de la fumée absorbe faiblement par rapport au BC, qui a un k élevé ≈ 0,63 dans le spectre UV-visible-proche infrarouge16. De plus, BrC est très sensible au blanchiment ou à la perte de capacité d’absorption de la lumière quelques heures ou jours après son émission17,18,19.

Des études récentes en laboratoire14,20,21,22,23 indiquent la présence de composants sombres BrC (d-BrC) dans la fumée brûlant la biomasse qui absorbent fortement dans les longueurs d'onde visibles et proches de l'infrarouge. Cette classe de BrC a une faible volatilité, est insoluble et présente des valeurs k élevées ≈ 0,2 à 0,4 dans le spectre visible6,15. Il a été démontré lors de brûlures en laboratoire que le composant d-BrC représente 5 à 15 % de la masse de la fumée d'OA, la fraction restante étant composée de BrC14 soluble et faiblement absorbant. Les preuves observationnelles de d-BrC dans les panaches de fumée des incendies de forêt et son importance en ce qui concerne l'absorption atmosphérique des ondes courtes restent insaisissables.

Nous avons intégré des observations à l'échelle globale et à l'échelle des particules pour caractériser les propriétés optiques et physicochimiques des composants dominants absorbant la lumière dans les panaches de fumée des incendies de forêt dans l'ouest des États-Unis. Cette étude faisait partie de la campagne de terrain 2019 sur l'influence des incendies sur les environnements régionaux à mondiaux et la qualité de l'air, parrainée par la NASA (National Aeronautics and Space Administration)/National Oceanic and Atmospheric Administration24, pour étudier la composition du panache des incendies de forêt dans l'ouest. Une suite d'instruments de caractérisation des aérosols et des gaz a été utilisée à bord du laboratoire mobile Aerodyne au sol et de l'avion Douglas DC-8 de la NASA. Des mesures synchronisées, dans la mesure du possible, ont été effectuées sur chaque plate-forme pour intercepter et étudier les panaches au cours de la saison des incendies de forêt 2019, depuis près (moins de 3 km) de la zone de gestion des incendies jusqu'à la troposphère (10 à 11 km d'altitude).