Gaz traces réactifs atmosphériques : faibles concentrations, grandes conséquences

Malgré leurs très faibles quantités mesurées dans l’atmosphère, les gaz traces laissent leur empreinte dans la composition atmosphérique. Réactifs, ils peuvent conduire à la formation de composés secondaires comme l’ozone ou des aérosols ayant un impact réel sur la santé et le climat. Le projet H2020 ACTRIS, dont IMT Lille Douai est partenaire, a pour ambition de mener des observations à long terme sur les gaz traces, les aérosols et les nuages, afin de mieux comprendre leurs interactions et leur impact sur le climat et la qualité de l’air.

 

Prenez du diazote, ajoutez-y une dose d’oxygène, saupoudrez d’argon et de quelques autres gaz inertes, incorporez un soupçon de vapeur d’eau ainsi qu’une petite pincée de dioxyde de carbone, et vous voici avec une belle atmosphère terrestre … enfin, presque ! À côté des 78% de diazote environ, des honorables 21% d’oxygène, de moins d’1% d’argon et des 0,04% de dioxyde de carbone vous trouverez les gaz traces, plus ou moins réactifs. Émis à la fois de sources anthropiques et naturelles, ces gaz sont présents à des concentrations de l’ordre du nanogramme, soit 0.000000001 gramme, par mètre cube d’atmosphère. Négligeables ? Pas vraiment ! « Une fois émis, ces gaz ne sont pas inertes, mais réactifs » explique Stéphane Sauvage, chercheur en sciences de l’atmosphère et génie environnemental à IMT Lille Douai. « Ils vont réagir entre eux dans l’atmosphère et conduire à la formation d’espèces secondaires, comme l’ozone ou certains aérosols qui ont un fort impact sur la santé et le climat. » D’où l’importance de savoir les identifier et les quantifier avec précision dans l’atmosphère.

Projet H2020 d’ampleur, ACTRIS (Aerosols, Clouds, Trace Gazes Research InfraStructure) rassemble dans le cadre de l’ESFRI (European Strategy Forum on Research Infrastucture) 24 pays et plus de 100 laboratoires de recherche, incluant notamment IMT Lille Douai. En combinant mesures au sol et par satellites, l’objectif est d’observer sur le long terme l’évolution de la composition de l’atmosphère, afin de mieux comprendre les déterminants et l’impact des contaminants sur le climat et la qualité de l’air. Côté innovation, le projet cherche notamment à mettre au point de nouvelles techniques et méthodes d’observation. « À IMT Lille Douai, nous développons depuis de nombreuses années nos compétences sur l’observation au sol des gaz traces réactifs, ce qui nous a valu d’être identifiés comme contributeurs avec une expertise forte sur le sujet » affirme Stéphane Sauvage.

Des gaz qui laissent leur empreinte dans l’atmosphère

Issus de l’échappement automobile, du chauffage domestique, des activités agricoles, mais également des émissions végétales ou volcaniques, les gaz traces réactifs sont de bons « traceurs » : lors des mesures, il est possible d’identifier leur source d’origine. Mais, sur les 200 à 300 espèces différentes de gaz traces répertoriées, certaines sont très peu connues car difficilement mesurables. « Il existe des espèces très réactives jouant des rôles clés au niveau atmosphérique, mais avec des durées de vie tellement courtes ou à des concentrations tellement faibles que nous n’arrivons pas à les détecter » explique Stéphane Sauvage.

Les sesquiterpènes, famille de gaz traces, ont une réactivité très importante. Émis par la végétation, ils jouent un rôle important au niveau atmosphérique, mais restent difficiles à quantifier avec les moyens actuels. « Ce sont des gaz avec des durées de vie très courtes, à des concentrations atmosphériques très faibles et qui se dégradent facilement lors de prélèvements ou de l’analyse » précise Stéphane Sauvage.

À l’inverse, certaines espèces comme l’éthane sont bien connues et mesurables. D’origine anthropique, la faible réactivité de l’éthane ne l’en rend pas moins problématique. Présent en quantité non négligeable à l’échelle globale, il a un réel impact sur la formation d’ozone. « Nous venons de publier un article dans la revue Nature Geoscience sur l’évolution de cette espèce, et nous nous sommes rendu compte que ses émissions étaient sous-estimées » constate Stéphane Sauvage.

Des relations complexes entre aérosols, nuages et gaz traces

Par ailleurs, en réagissant avec d’autres composés atmosphériques, les gaz traces peuvent conduire à la formation d’aérosols, des particules fines en suspension. En raison de leur capacité d’absorption lumineuse, ces particules impactent le climat, mais peuvent aussi pénétrer dans l’appareil respiratoire, avec des conséquences significatives sur la santé. « Si ces particules fines proviennent en partie de sources naturelles et anthropiques, elles sont aussi le fruit des réactions des gaz traces réactifs par des processus complexes, pas encore complètement connus » précise Stéphane Sauvage. D’où l’importance du projet ACTRIS, qui observera les interactions entre gaz traces et aérosols, mais également les nuages sur lesquels ces composés exercent aussi leur influence.

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Les mesures effectuées dans le cadre d’ACTRIS seront fournies à de nombreux acteurs, comme les services opérationnels de la météo et du climat, les agences de surveillance de la qualité de l’air, l’Agence Spatial Européenne, les décideurs politiques, mais serviront également les domaines de l’agriculture, de la santé ou des biogéosciences. « La construction de l’infrastructure ACTRIS est en cours. Nous entrerons en phase d’implémentation en 2019, puis la phase opérationnelle démarrera vers 2025 et durera 25 ans » affirme Stéphane Sauvage. Un projet à très long terme donc, pour structurer la recherche au niveau européen et jouer sur la complémentarité des compétences de plus de 100 laboratoires de recherche impliqués dans 24 pays… Pour mener les sciences de l’atmosphère à un niveau stratosphérique !