Au cœur des nuages se trouvent des cristaux de glace. Et au cœur des cristaux de glace se trouvent souvent des particules d’aérosol – de la poussière dans l’atmosphère sur laquelle la glace peut se former plus facilement qu’à l’air libre.
C’est un peu mystérieux comment cela se produit, cependant, car les cristaux de glace sont des structures ordonnées de molécules, tandis que les aérosols sont souvent des morceaux désorganisés. Une nouvelle recherche menée par Valeria Molinero, éminente professeure de chimie, et Atanu K. Metya, maintenant à l’Institut indien de technologie de Patna, montre comment les cristaux de molécules organiques, un composant commun des aérosols, peuvent faire le travail.
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L’histoire est plus que cela, cependant – c’est un retour aux recherches sur l’ensemencement des nuages de l’époque de la guerre froide et une enquête sur un effet de mémoire particulier qui voit la glace se former plus facilement sur ces cristaux la deuxième fois.
La recherche, financée par le Bureau de la recherche scientifique de l’Armée de l’air, est publiée dans le Journal de l’American Chemical Society.
Retour à l’ensemencement des nuages
Les recherches de Molinero se concentrent sur la formation de la glace, en particulier le processus de nucléation, qui est le début de la formation des cristaux de glace. Dans les bonnes conditions, les molécules d’eau peuvent nucléer de la glace par elles-mêmes. Mais souvent, un autre matériau, appelé nucléant, peut aider le processus.
Après plusieurs études sur les façons dont les protéines peuvent aider à former de la glace, Molinero et Metya se sont tournés vers les nucléants organiques de la glace (tel qu’utilisé ici, «organique» signifie des composés organiques contenant du carbone) car ils sont similaires aux protéines productrices de glace et se trouvent dans les aérosols aéroportés.
Mais une revue de la littérature scientifique a révélé que les articles traitant de la nucléation de la glace par des composés organiques provenaient des années 1950 et 1960, avec très peu de travaux de suivi par la suite jusqu’à très récemment.
«Cela m’a rendu vraiment curieux», dit Molinero, «parce qu’il y a maintenant beaucoup d’intérêt sur les aérosols organiques et si et comment ils favorisent la formation de glace dans les nuages, mais toute cette nouvelle littérature semblait dissociée de ces premières études fondamentales sur les nucléants de glace. »
Des recherches supplémentaires ont révélé que les premiers travaux sur les nucléants organiques de la glace étaient liés à l’étude de l’ensemencement des nuages, une ligne de recherche d’après-guerre sur la façon dont les particules (principalement l’iodure d’argent) pourraient être introduites dans l’atmosphère pour encourager la formation et les précipitations de nuages. Les scientifiques ont exploré les propriétés des composés organiques en tant que nucléants de la glace pour voir s’ils pourraient être des alternatives rentables à l’iodure d’argent.
Mais les recherches sur l’ensemencement des nuages se sont effondrées dans les années 1970 après que les pressions politiques et les craintes de modification du temps aient conduit à une interdiction de la pratique de la guerre. Le financement et l’intérêt pour les nucléants organiques de glace se sont taris jusqu’à récemment, lorsque la recherche sur le climat a suscité un regain d’intérêt pour la chimie de la formation de glace dans l’atmosphère.
«Il y a eu un intérêt croissant pour la nucléation de la glace par des aérosols organiques au cours des dernières années, mais aucun lien avec ces anciennes études sur les cristaux organiques», dit Molinero. « Alors, j’ai pensé qu’il était temps de les » sauver « dans la littérature moderne. »
Aller tout classique
Le phloroglucinol est l’un des nucléants organiques étudiés au milieu du XXe siècle. Il s’est montré prometteur pour contrôler le brouillard, mais moins pour l’ensemencement des nuages. Molinero et Metya ont revisité le phloroglucinol car il s’est avéré puissant pour la nucléation de la glace en laboratoire.
Une question à laquelle il faut répondre est de savoir si le phloroglucinol nuclée la glace par des processus classiques ou non classiques. Lorsque la glace nuclée d’elle-même, sans aucune surface ni aucune autre molécule, le seul obstacle à surmonter est la formation d’une cristallite de glace stable (seulement environ 500 molécules de taille dans certaines conditions) sur laquelle d’autres molécules peuvent s’appuyer pour faire croître un cristal de glace. C’est la nucléation classique.
Une nucléation non classique, impliquant une surface nucléante, se produit lorsqu’une couche de molécules d’eau s’assemble à la surface sur laquelle d’autres molécules d’eau peuvent s’organiser en un réseau cristallin. L’obstacle à surmonter dans la nucléation non classique est la formation de la monocouche.
Qu’est-ce qui s’applique au phloroglucinol? Dans les années 1960, le chercheur LF Evans a conclu qu’il n’était pas classique. «Je suis toujours étonné qu’il ait pu déduire l’existence d’une monocouche et déduire que le mécanisme n’était pas classique à partir d’expériences de congélation en fonction de la température seule!» Dit Molinero. Mais Molinero et Metya, en utilisant des simulations moléculaires de la formation de la glace, ont constaté que c’était plus compliqué.
«Nous constatons que l’étape qui décide vraiment si l’eau se transforme en glace ou non n’est pas la formation de la monocouche, mais la croissance d’une cristallite de glace sur le dessus», dit Molinero. «Cela rend la formation de glace par les matières organiques classique, mais non moins fascinante.»
Simulations montrant l’ordre des molécules d’eau (bleu) dans un réseau cristallin de glace (vert) sur différentes faces d’un cristal de phloroglucinol. Crédit d’image: Valeria Molinero / Université de l’Utah
Tenant des souvenirs de glace
Les chercheurs ont également utilisé leurs méthodes de simulation pour étudier un effet de mémoire intéressant précédemment observé avec des nucléants organiques et autres. Lorsque la glace est formée, fondue et formée à nouveau à l’aide de ces nucléants, le deuxième cycle de cristallisation est plus efficace que le premier. On suppose que la glace fond complètement entre les cristallisations, et les chercheurs ont proposé plusieurs explications potentielles.
Molinero et Metya ont découvert que l’effet de mémoire n’est pas dû à la glace modifiant la surface nucléante, ni à la monocouche d’eau persistant sur la surface nucléante après la fusion. Au lieu de cela, leurs simulations ont soutenu une explication selon laquelle les crevasses dans le nucléant peuvent s’accrocher à de petites quantités de glace qui fondent à des températures plus élevées que le reste de la glace dans l’expérience. Si ces crevasses sont adjacentes à l’une des surfaces cristallines nucléantes qui sont bonnes pour former de la glace, alors c’est parti pour les courses lorsque le deuxième cycle de congélation commence.
Quelque chose dans l’air
D’autres mystères demeurent: les études du milieu du siècle sur les cristaux organiques ont révélé qu’à des pressions élevées, environ 1500 fois la pression atmosphérique, les cristaux sont aussi efficaces pour organiser les molécules d’eau en glace qu’un cristal de glace lui-même. Pourquoi? C’est l’objet des prochaines expériences de Molinero.
Plus immédiatement, cependant, le phloroglucinol est un composé naturel dans l’atmosphère, donc tout ce que les chercheurs peuvent apprendre à son sujet et d’autres nucléants organiques peut aider à expliquer la capacité des aérosols à nucléer la glace et à réguler la formation de nuages et les précipitations.
«Il serait important d’étudier si de petites cristallites de ces nucléants de glace cristalline sont responsables de la capacité de nucléation de glace déconcertante d’aérosols organiques autrement amorphes», dit Molinero.
La source: Université de l’Utah
