L’oxyde nitreux (N₂O, aussi connu sous le nom de gaz hilarant) est l'un des gaz à effet de serre les plus importants. Bien qu'il soit beaucoup moins présent dans l'atmosphère que le dioxyde de carbone (CO₂), il est environ 300 fois plus nocif pour le climat. L'oxyde nitreux reste dans l'atmosphère pendant plus de 100 ans et contribue au réchauffement climatique. Le gaz hilarant endommage également la couche d'ozone. La principale source d'émissions d'oxyde nitreux est le sol, en particulier le sol fertilisé, mais aussi le sol naturel.

Des chercheurs du monde entier cherchent des moyens de réduire les émissions d'oxyde nitreux. Mais la recherche n'en est encore qu'à ses débuts. "Il est bien connu que plus d'oxyde nitreux s'échappe du sol après la fertilisation ou les pluies, par exemple. Mais peu de recherches ont encore été menées sur les processus précis qui se déroulent dans le sol", explique Joachim Mohn, chercheur à l'Empa sur les émissions et les isotopes.

Erkan Ibraim, chercheur à l'Empa, contrôle l'une des chambres de flux qui capte les émissions d'oxyde nitreux du sol. Image : Empa

Les chercheurs de l'Empa ont donc mis au point un spectromètre laser qui permet d'effectuer des mesures extrêmement précises sur le terrain. "Vous pouvez voir exactement quelle est la composition isotopique de l'oxyde nitreux mesuré. Par exemple, si l'atome d'azote avec un neutron supplémentaire est situé au milieu de la molécule ou à la périphérie ", explique Mohn. La détermination spécifique des isotopes permet de tirer des conclusions sur les processus de formation du gaz hilarant. "Les mesures isotopiques peuvent également être utilisées pour estimer dans quelle mesure l'oxyde nitreux nocif dans le sol est dégradé en azote inoffensif pour le climat."

Le gaz hilarant se forme dans divers processus microbiens. Il peut être un sous-produit de la nitrification et un produit intermédiaire de la dénitrification. Lors de la nitrification, l'ammonium, provenant par exemple d'engrais, est oxydé en nitrate. Lors de la dénitrification, le nitrate est transformé en azote.

"L'Empa et d'autres instituts de recherche étudient actuellement quel processus biochimique d'une bactérie préfère former quel isotope d'oxyde nitreux", explique Mohn (voir encadré). Sur la base de ces résultats, les chercheurs de l'Empa, en collaboration avec des scientifiques de l'ETH Zurich et de l'Institut de technologie de Karlsruhe, ont effectué plus de 600 mesures par spectromètre laser sur plusieurs mois à Bavière, dans la prairie, et analysé la composition isotopique du gaz hilarant émis. En même temps, les chercheurs ont enregistré des variables d'influence telles que l'humidité du sol, la teneur en nutriments, la température de l'air, la vitesse du vent et le moment des précipitations et de la fertilisation. Une nouveauté, comme l'explique Joachim Mohn : "Il était tout simplement impossible de mesurer en continu sur un sol avec un spectromètre de masse, un instrument de mesure utilisés jusqu'ici. Grâce à notre nouvel appareil, nous pouvons maintenant effectuer des mesures très précises sur le terrain et comparer les résultats obtenus, par exemple dans les prairies, avec ceux du laboratoire."

Les chercheurs utilisent maintenant les premières mesures sur le terrain pour vérifier si les modèles d'émissions précédents permettent de bonnes prévisions ou s'ils doivent être améliorés. Joachim Mohn : "Jusqu'à présent, il n'a été possible de dire que si un modèle de prévision des émissions d'oxyde nitreux reflète correctement le temps et la quantité. Si nous déterminons également la signature isotopique, nous savons immédiatement si le modèle prédit correctement les processus par lesquels l'oxyde nitreux est produit."

C'est une étape extrêmement importante pour la recherche sur les gaz hilarants, selon le chercheur de l'Empa. "L'objectif à long terme est de réduire les émissions d'oxyde nitreux provenant des sols naturels et agricoles." Il reste encore un long chemin à parcourir. "Mais au moins, nous avons maintenant atteint un premier jalon ", dit Mohn.

L'oxyde nitreux (N₂O) se compose de deux atomes d'azote et d'un atome d'oxygène. L'azote et l'oxygène sont présents dans divers isotopes naturels. 99 % de tous les atomes d'azote sont composés de sept protons et de sept neutrons et ont une masse atomique de 14 ; l'isotope est donc appelé ¹⁴N. ¹⁵N a un neutron supplémentaire et est extrêmement rare avec une fréquence de seulement 0,4 %. La molécule d'oxyde nitreux la plus courante est donc le ¹⁴N¹⁴N¹⁶O. Une molécule de gaz hilarant avec un atome de ¹⁵N et un atome de ¹⁴N, par exemple ¹⁵N¹⁴N¹⁶O, est un peu plus lourde et se comporte donc différemment. Et c'est précisément ces différences que le nouveau spectromètre laser de l'Empa "reconnaît". La composition isotopique du gaz hilarant sert alors - comme une sorte d'empreinte digitale - d'indication du processus microbien dans lequel il a été produit.