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L’étude des cendres volcaniques pourrait consolider les modèles climatiques

Comprendre l’influence des cendres volcaniques sur la formation de glace dans l’atmosphère pourrait aider les scientifiques à prévoir l’impact des éruptions explosives sur le temps et le climat avec davantage de précision.

Changement climatique et Environnement

Si la formation de glace a une influence majeure sur les propriétés et la durée de vie des nuages, elle reste l’un des processus les moins bien compris parmi ceux qui affectent indirectement le climat de la Terre. Les gouttelettes d’eau présentes dans l’atmosphère peuvent rester liquides jusqu’à -37 °C avant de geler. Mais en présence de certaines particules en suspension appelées particules de nucléation de la glace, les gouttelettes d’eau surfondues peuvent geler à des températures moins froides, comprises entre -37 et 0 °C. «Il est essentiel de mieux comprendre le comportement de ces particules en suspension dans l’air pour représenter correctement la formation de la glace dans les modèles informatiques», explique Elena Maters, qui a bénéficié du soutien du programme Actions Marie Skłodowska-Curie dans le cadre des recherches qu’elle a entreprises à l’Université de Cambridge, au Royaume-Uni. «Cela s’avère ensuite essentiel pour améliorer notre compréhension des systèmes atmosphériques et climatiques.» Il est largement admis que les poussières du désert transportées par le vent constituent l’un des types majeurs de particules jouant sur la nucléation de la glace. Mais si les recherches concernant l’effet des cendres volcaniques sur la formation de glace se sont multipliées ces dernières années, certaines études de terrain et de laboratoire apportent des éléments contradictoires. «On ne sait pas exactement ce qui est à l’origine des grandes variations observées au niveau de l’activité de nucléation de la glace (en anglais: ice-nucleating activity – INA) des cendres», explique Elena Maters, actuellement titulaire d’une bourse Leverhulme de début de carrière, à Cambridge. «Cela pourrait être lié à la composition chimique, la cristallinité ou la minéralogie des particules solides. Mais, jusqu’à présent, tout cela n’a pas fait l’objet d’une étude systématique.»

Le comportement des cendres

Le projet INoVA, coordonné par l’université de Leeds, au Royaume-Uni, avait pour objectif principal de comprendre ce qui détermine l’INA des cendres volcaniques. Il s’agissait notamment de voir si les interactions des cendres avec les gaz et les condensats, dans le panache éruptif et dans l’atmosphère, pouvaient avoir un impact sur leur INA. «Diverses techniques ont été employées pour générer et traiter des échantillons en poudre, analyser leurs propriétés et mesurer la nucléation de la glace», indique Elena Maters. Des expériences menées sur une série d’échantillons de cendres et de verre lui ont permis de distinguer les influences de la composition chimique et de la minéralogie sur l’INA. «Des simulations des processus éruptifs et atmosphériques ont également été réalisées en laboratoire», ajoute-t-elle. «Elles nous ont permis d’étudier les variations de l’INA dues à l’altération thermique et chimique, comme cela se produit lors du transport des cendres au sein du panache éruptif et dans l’atmosphère.»

Des modèles climatiques précis

L’une des principales conclusions du projet indique que les cendres sont plus efficaces que le verre pour la nucléation de la glace, ce qui suggère que les composants cristallins jouent un rôle important. «Les échantillons les plus actifs, en matière de formation de glace, contenaient des minéraux comme les feldspaths alcalins, les feldspaths plagioclases et les pyroxènes, ce qui nous amène à spéculer que les éruptions de magmas de composition felsique à intermédiaire pourraient donner naissance à des cendres propices à la formation de glace», explique Elena Maters. Le projet a également découvert que l’INA des cendres pouvait être accrue ou réduite par différentes interactions cendres-gaz et cendres-condensat, par exemple avec de l’eau, du dioxyde de soufre ou de l’acide sulfurique. «L’augmentation de l’INA observée après l’exposition des cendres à du dioxyde de soufre à des températures élevées a été particulièrement surprenante», souligne Elena Maters. Les informations recueillies sur les cendres, notamment les particules propices à la nucléation de la glace, peuvent être intégrées dans des modèles informatiques météorologiques et climatiques donnant ainsi des résultats qui pourraient s’avérer utiles aux centres de consultation sur les cendres volcaniques ainsi qu’aux services météorologiques. Une partie des travaux d’Elena Maters a été publiée dans la revue spécialisée Atmospheric Chemistry and Physics, tandis que trois autres documents de recherche sont actuellement en préparation. «D’autres activités de sensibilisation, notamment un débat public portant sur la communication en matière de risques volcaniques, se sont avérées utiles en nous donnant l’occasion de partager nos connaissances», conclut Elena Maters. «Une fois que tous ces travaux auront été publiés, ils fourniront une base de connaissances nouvelles sur la nucléation de la glace induite par les cendres volcaniques et ouvriront la voie à de futurs travaux passionnants dans ce domaine.»

Mots‑clés

INoVA, volcanique, météo, climat, cendre, glace, atmosphère, terre, nucléation, météorologique, felsique, magma, INA

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