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Modélisation des nuages : les ‘éclats de glace’ seraient une pièce importante du puzzle

Crédits : PxHere.

Les particules de glace libérées à l’intérieur des nuages par l’éclatement des gouttelettes d’eau en phase de gel affectent la durée de vie de ces derniers et leur capacité à réfléchir le rayonnement solaire. Aussi, toute modélisation adéquate des nuages et du climat global doit soigneusement prendre en compte ce mécanisme. Ce sont là les enseignements apportés par une étude récemment publiée dans la revue AGU Advances.

Les modèles climatiques actuels ne permettent pas de résoudre les échelles spatiales les plus fines nécessaires à une bonne représentation de la physique nuageuse. Faute de mieux, des formulations simplifiées de nature paramétrique sont utilisées. Cette difficulté explique en partie pourquoi les nuages constituent la principale source d’incertitudes dans les projections climatiques.

nuage ciel
Crédits : Wikimedia Commons.

Afin d’améliorer leur représentation dans les modèles, un groupe de chercheurs de l’Université de Washington (États-Unis) s’est récemment intéressé à la microphysique des nuages en phase mixte, c’est-à-dire composés à la fois d’eau liquide et solide, au-dessus du vaste océan Austral.

L’océan Austral et ses nuages, un défi de modélisation

En effet, un écart notable entre modélisations et observations existe dans ce domaine où s’articulent d’importants échanges de chaleur et de carbone avec l’atmosphère. Or, si la couverture nuageuse est mal représentée, les échanges d’énergie et de matière entre l’air et l’eau seront inadéquats, ce qui se répercutera inévitablement sur le calcul du climat global et de sa réponse à nos rejets de gaz à effet de serre.

Grâce aux données de terrain recueillies en février 2018 lors de la campagne scientifique SOCRATES (Southern Ocean Clouds, Radiation, Aerosol Transport Experimental Study) et l’analyse d’images satellitaires, les scientifiques ont identifié un mécanisme dont la prise en compte devrait sensiblement améliorer la représentation des nuages, a minima au-dessus de l’océan Austral. En quoi ce processus consiste-t-il ?

Des interactions cruciales entre gouttelettes d’eau et cristaux de glace

Les gouttelettes d’eau qui congèlent subitement suite à une collision avec un cristal éclatent et libèrent de multiples éclats de glace à l’intérieur du nuage. Ceux-ci agissent alors comme autant de noyaux de congélation qui vont augmenter la formation de cristaux de glace et le gel des autres gouttelettes d’eau, menant à un plus grand nombre d’éclats encore. Il s’agit d’une réaction en chaîne qui peut rapidement conduire à la glaciation totale de la couche nuageuse.

Représentation schématique des mécanismes et des caractéristiques nuageuses en présence (gauche) et en absence (droite) du processus d’éclatement des gouttelettes. Dans le cas de gauche, le nuage est moins étendu et le rayonnement solaire est moins fortement réfléchi. Crédits : R. L. Atlas & coll. 2022.

Comme les cristaux grossissent et précipitent plus efficacement que les gouttelettes d’eau, les nuages sont rendus moins réfléchissants et persistent moins longtemps en présence de ce processus, toutes choses égales par ailleurs. De fait, une plus grande quantité d’énergie solaire atteint la surface de l’océan. Les chercheurs ont estimé cet effet à 10 W/m² par jour entre 45 °S et 65 °S lors de la saison chaude.

« Les cristaux de glace appauvrissent une grande partie du nuage, ce qui réduit la couverture horizontale », rapporte R. L. Atlas, auteur principal de l’étude. « Les cristaux de glace diminuent également pour partie l’eau liquide présente dans les zones les plus épaisses. Ainsi, les particules de glace diminuent à la fois la couverture nuageuse et réduisent le nuage restant ».

Avec ces nouveaux résultats, les auteurs espèrent améliorer la représentation du climat aux moyennes et hautes latitudes australes, de même que la sensibilité climatique. « L’océan Austral est un énorme puits de chaleur mondial, mais sa capacité à absorber la chaleur de l’atmosphère dépend de la structure thermique de la partie supérieure de l’océan, qui est liée à la couverture nuageuse », ajoute le chercheur.