Une étude révèle la formation hivernale de grosses particules de pollution dans le ciel chinois

Des chercheurs de l’École des sciences de la Terre et de l’atmosphère découvrent que des sulfates dangereux se forment et que leurs particules grossissent dans les panaches de pollution émis par les centrales électriques au charbon.

Des études antérieures ont montré que les particules qui flottent dans la brume au-dessus du ciel de Pékin comprennent du sulfate, une source majeure de pollution de l’air extérieur qui endommage les poumons et aggrave les symptômes asthmatiques existants, selon le California Air Resources Board.

Les sulfates sont généralement produits par oxydation atmosphérique en été, lorsque la lumière solaire abondante facilite l’oxydation qui transforme le dioxyde de soufre en particules d’aérosol dangereuses. Comment se fait-il que la Chine puisse produire une pollution aussi extrême, chargée en sulfates, en hiver, alors qu’il n’y a pas autant de soleil et que l’oxydation atmosphérique est lente ?

Yuhang Wang, professeur à l’École des sciences de la Terre et de l’atmosphère de Georgia Tech, et son équipe de recherche ont mené une étude qui pourrait avoir la réponse : toutes les réactions chimiques nécessaires pour transformer le dioxyde de soufre en trioxyde de soufre, puis rapidement en sulfate, principalement se produire dans les panaches de fumée provoquant la pollution. Ce processus crée non seulement des sulfates pendant l’hiver en Chine, mais il se produit également plus rapidement et entraîne la formation de particules de sulfate plus grosses dans l’atmosphère.

« Nous appelons la source « formation interne » », explique Wang. “Au lieu d’avoir des oxydants répandus dans l’atmosphère, oxydant lentement le dioxyde de soufre en trioxyde de soufre pour produire du sulfate, nous avons cette production concentrée dans les panaches d’échappement qui transforme l’acide sulfurique en grosses particules de sulfate. Et c’est pourquoi nous voyons ces gros particules de sulfate en Chine.

Les découvertes de la formation à l’intérieur de la source de particules de sulfate plus grosses en hiver en Chine pourraient aider les scientifiques à évaluer avec précision les impacts des aérosols sur le forçage radiatif (l’impact du changement climatique et du réchauffement climatique sur les bilans énergétiques et thermiques de la Terre) et sur la santé, où des aérosols plus gros signifient des particules plus grosses. dépôts dans les poumons humains.

« Formation hivernale de grosses particules de sulfate en Chine et implications pour la santé humaine », est publié dans Sciences et technologies environnementales. Les co-auteurs incluent Qianru Zhang de l’Université de Pékin et Mingming Zheng de l’Université polytechnique de Wuhan, deux des anciens étudiants de Wang qui ont mené la recherche à Georgia Tech.

Expliquer un smog historique

La Chine brûle encore beaucoup de charbon dans ses centrales électriques parce que ses coûts sont inférieurs à ceux du gaz naturel, explique Wang. Cela permet également une comparaison facile entre les hivers brumeux de la Chine et un événement historique qui a attiré l’attention du Royaume-Uni sur de dangereux risques environnementaux : le grand smog de Londres.

L’événement, décrit dans l’émission Netflix “The Crown”, a vu un important smog s’abattre sur Londres en décembre 1952. Un temps inhabituellement froid a précédé l’événement, ce qui a ramené la brume produite par le charbon jusqu’au niveau du sol. Les responsables britanniques ont déclaré plus tard que le smog du Grand Londres (également appelé brouillard du Grand Londres) était responsable de 4 000 décès et de 100 000 maladies, bien que des études ultérieures aient estimé un nombre de morts plus élevé, entre 10 000 et 20 000.

“Depuis l’époque du brouillard de Londres jusqu’à la pollution hivernale extrême en Chine, il a été difficile d’expliquer comment le sulfate est produit en hiver”, explique Wang.

Wang et son équipe ont décidé de relever ce défi.

Taille des aérosols et influence des métaux lourds ?

Les niveaux de sulfate plus élevés en Chine, notamment en janvier 2013, défient les explications conventionnelles qui reposaient sur l’oxydation photochimique standard. On pensait que le dioxyde d’azote ou d’autres oxydants légers présents dans les particules alcalines ou neutres de l’atmosphère en étaient la cause. Cependant, les mesures ont révélé que les particules de sulfate résultantes étaient très acides.

Pendant le séjour de Zheng à Georgia Tech, « elle cherchait simplement des choses intéressantes à faire », dit Wang à propos de l’ancien élève. “Et j’ai dit, c’est peut-être ce que nous devrions faire : je voulais qu’elle examine la distribution de la taille des aérosols, leur taille.”

Zheng et Wang ont remarqué que la taille des particules de sulfate provenant de l’hiver chinois était beaucoup plus grande que celles résultant des aérosols produits photochimiquement. Mesurant généralement entre 0,3 et 0,5 micron, la taille du sulfate était plus proche de 1 micron. (Un cheveu humain mesure environ 70 microns.) Les aérosols répartis sur une zone plus large seraient normalement plus petits.

“Les observations d’aérosols de la taille d’un micron impliquent que les particules de sulfate subissent une croissance substantielle dans un environnement riche en anhydride sulfureux”, explique Wang. Les particules plus grosses augmentent les risques pour la santé humaine.

“Lorsque les aérosols sont gros, ils se déposent davantage dans la partie avant du système respiratoire mais moins dans la partie terminale, comme les alvéoles”, ajoute-t-il. “En tenant compte de la grande taille des particules, on estime que les dépôts totaux d’aérosols dans le système respiratoire humain augmentent de 10 à 30 pour cent.”

Cependant, quelque chose doit encore être ajouté au mélange chimique pour que le dioxyde de soufre puisse se transformer en trioxyde de soufre tout en grossissant les particules de sulfate résultantes. Wang affirme qu’une voie potentielle implique l’oxydation catalytique du dioxyde de soufre en acide sulfurique par des « métaux de transition ».

Les températures élevées, l’acidité et la teneur en eau des gaz d’échappement peuvent accélérer considérablement l’oxydation catalytique du dioxyde de soufre “par rapport à celle de l’atmosphère ambiante. Il est possible que des processus hétérogènes similaires se produisant sur la surface chaude d’une cheminée recouverte de métaux de transition puissent expliquer l’importante partie du trioxyde de soufre observée dans les gaz d’échappement des centrales électriques au charbon”, explique Wang.

“Une quantité importante de trioxyde de soufre est produite, soit lors de la combustion, soit par oxydation catalysée par un métal à des températures élevées.”

Une opportunité pour des centrales électriques au charbon plus propres

L’impact de la formation de sulfate à la source suggère que prendre des mesures pour refroidir et éliminer le trioxyde de soufre, l’acide sulfurique et les particules des émissions des installations de combustion du charbon pourrait être un moyen de réduire la pollution qui peut causer de graves problèmes de santé.

“Le développement et la mise en œuvre d’une telle technologie bénéficieront aux nations du monde entier, en particulier à celles qui dépendent fortement du charbon comme source d’énergie primaire”, a déclaré Wang.