Améliorer la description de la formation des nuages dans les modèles atmosphériques
La vapeur condensable la plus abondante dans l’atmosphère est l’eau, qui se transforme en gouttelettes au contact d’une surface froide. C’est pourquoi nos lunettes s’embuent lorsque nous passons d’un environnement froid à un environnement plus chaud. Outre la vapeur d’eau, l’atmosphère contient également des particules d’aérosols. Il s’agit de particules microscopiques en suspension dans l’air qui proviennent de sources naturelles telles que la poussière du désert et les embruns marins, ainsi que de polluants d’origine humaine tels que les émissions industrielles. «Les petites particules d’aérosol dans l’atmosphère agissent comme la surface de nos lunettes», explique Ilona Riipinen, coordinatrice du projet INTEGRATE(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), de l’université de Stockholm(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre). «Chaque gouttelette nuageuse dans l’atmosphère a été ensemencée par une particule.»
Des molécules à la climatologie
Les particules d’aérosols sont donc essentielles à la formation des nuages. Cette interaction entre les particules d’aérosols et la vapeur joue un rôle essentiel dans la détermination de la taille des nuages et des niveaux de précipitations, ainsi que dans le bilan énergétique de la Terre, c’est-à-dire l’équilibre entre le rayonnement solaire entrant et le rayonnement terrestre sortant, lié à la capacité des nuages à réfléchir le rayonnement solaire. Le projet INTEGRATE, soutenu par le Conseil européen de la recherche(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), devait faire progresser les connaissances fondamentales sur ces interactions, afin de mieux comprendre comment les nuages et les précipitations affectent le climat et régissent la qualité de l’air. «Ces interactions impliquent des chaînes d’événements complexes», ajoute Ilona Riipinen. «Pour estimer avec précision, par exemple, l’évolution des températures ou des précipitations dans un modèle de système terrestre, nous devons pouvoir décrire numériquement des processus non linéaires tels que les changements dans les propriétés des aérosols et la microphysique des nuages. Il s’agit d’un processus très complexe.»
Étudier les interactions entre les particules
Pour atteindre ses objectifs, INTEGRATE a réuni des scientifiques travaillant au niveau moléculaire fondamental, par exemple sur ce qui détermine la condensation d’une molécule, et des scientifiques travaillant à des échelles complètement différentes, par exemple sur les interactions entre la forêt et l’atmosphère. Cela a permis de replacer les transitions de phase au niveau moléculaire dans le contexte de la science du climat. «En ce qui concerne le travail sur le terrain, nous avons recueilli des échantillons d’air dans des environnements isolés de l’Arctique où il y a peu de particules d’origine, ainsi que dans des régions plus polluées comme la vallée du Pô dans le nord de l’Italie», explique Ilona Riipinen. «Nous avons ensuite utilisé différentes techniques pour quantifier les particules depuis le niveau moléculaire jusqu’à la taille des gouttelettes des nuages, qui sont des ordres de grandeur plus grands.» L’équipe s’est également penchée sur les nitrates, un groupe de composés encore mal connus. À mesure que les émissions de sulfates diminuent, les nitrates devraient gagner en importance en tant que source de particules d'origine humaine. L’équipe du projet a acquis de nouvelles connaissances sur la manière dont différents nitrates interagissent avec l’eau.
Recommandations pour les climatologues
L’une des principales réussites du projet a été d’encourager les scientifiques à repenser leur façon de considérer les particules dans la formation des nuages. Plutôt que de penser que les particules doivent avoir une certaine taille pour devenir des «graines de nuage», Ilona Riipinen estime que ce processus devrait plutôt être considéré comme un continuum. Les résultats du projet ont également été transposés en recommandations pour les climatologues, qui pourront les appliquer à leurs modèles de systèmes terrestres et de qualité de l’air. "Si nous voulons faire des prévisions concernant l’évolution des précipitations ou la qualité de l’air, nous avons besoin de descriptions plus précises des interactions entre les aérosols et les vapeurs, ainsi que de la physique impliquée», explique-t-elle. «Les descriptions des modèles doivent être basées sur des connaissances fondamentales.» Ilona Riipinen estime en outre que le projet a démontré la nécessité d’une collaboration des scientifiques théoriciens avec les communautés de sciences appliquées, afin de garantir que leurs travaux sont compréhensibles et utilisables dans des modèles prédictifs.
