Les nuages ​​bas peuplent les deux premiers kilomètres de l'atmosphère. Les nuages ​​cumuliformes s'entassent haut et sont constitués de colonnes d'air qui s'élèvent rapidement. Les stratiformes ressemblent à des feuilles et montrent peu de mouvements d'air verticaux.

Les nuages ​​bas étant globalement abondants, ils ont un impact considérable sur le bilan énergétique radiatif de la planète et sur son climat. Une partie de cet impact provient de l'influence des nuages ​​bas sur l'albédo de la Terre, une mesure de la quantité d'énergie solaire renvoyée dans l'espace.

Pourtant, les nuages ​​bas sont mal représentés dans les modèles du système terrestre, une grande source d'incertitude dans les simulations climatiques. Les lacunes dans les données d'observation sont en grande partie à blâmer. Dans les régions marines éloignées, par exemple, les nuages ​​bas - appelés nuages ​​de couche limite marine (MBL) - sont difficiles à mesurer pour leur charge de condensat, pour leurs propriétés radiatives, et pour la façon dont ils sont organisés sur des échelles allant jusqu'à 100 kilomètres.

Une autre source d'incertitude est de savoir comment les nuages ​​bas réagissent aux changements dans les aérosols - les particules solides ou liquides en suspension - en leur sein. En aérosols, les perturbations tant naturelles qu'anthropiques (humaines) peuvent affecter la façon dont les nuages ​​diffusent ou absorbent le rayonnement, comment ils créent des précipitations, et combien de temps ils vivent.

A partir de ce mois de juin, une nouvelle campagne de recherche parrainée par le département américain de l'Énergie (DOE) abordera ces incertitudes de modélisation. La campagne Aerosol and Cloud Experiments in Eastern North Atlantic (ACE-ENA), une tentative de combler certaines lacunes dans les données d'observation, devrait se dérouler en deux phases de 40 jours, une en juin et en juillet de cette année, et un en janvier et février 2018.

Le centre opérationnel de la campagne est l'Atlantique Nord Est (ENA), un observatoire atmosphérique fixe sur l'île de Graciosa aux Açores à l'ouest du Portugal. Il est géré par l'installation de recherche climatique sur la mesure du rayonnement atmosphérique (ARM), une installation d'utilisateurs scientifiques du DOE avec trois observatoires fixes dans des régions du globe sensibles au climat.

Tout en examinant les processus clés des nuages ​​et des aérosols dans un environnement marin éloigné, Les scientifiques de l'ACE-ENA aborderont également une série d'objectifs scientifiques. Ils étudieront la budgétisation et les variations saisonnières des noyaux de condensation des nuages ; les structures microphysiques et macrophysiques au sein des nuages ​​MBL ; comment l'air ambiant se mélange – s'entraîne – dans les courants et les nuages ; et dans quelle mesure les algorithmes actuels gèrent les nouvelles mesures aéroportées de la turbulence, teneur en eau liquide, et la taille des gouttelettes provenant de la bruine et des nuages.

D'en haut et d'en bas, synergie

La combinaison des observations sol et avion crée une synergie fructueuse au cœur des mesures ACE-ENA, dit Jian Wang, enquêteur principal de la campagne, un scientifique de l'atmosphère au Brookhaven National Laboratory (BNL) à New York. "Vous obtenez une image plus complète des aérosols et des nuages."

Les instruments fixes au sol fonctionnent en continu sur une longue période, il dit. Les avions couvrent des délais plus courts, mais extraire des informations plus détaillées sur les processus d'aérosols et de nuages ​​interconnectés liés aux gaz traces, bruine, et la thermodynamique atmosphérique. Mesures aériennes, dit Wang, également aider à valider ceux du terrain.

Des campagnes similaires à la recherche de données sur les nuages ​​marins bas ont été exécutées au large des côtes du Chili et de la Californie, il dit, mais ACE-ENA sera le premier à coordonner de manière significative les observations aériennes et terrestres dans l'est de l'Atlantique Nord.

Une mesure de la nouveauté et de la promesse de la campagne est le nombre de scientifiques qui non seulement se sont inscrits en tant que co-chercheurs et collaborateurs, mais qui apparaîtront sur place pendant la campagne, même juste pour aider avec les prévisions météorologiques. « Un bon nombre de personnes se présenteront, ", dit Wang. Il est un utilisateur de données ARM de longue date et est actif dans des comités et des groupes de travail pour la recherche sur le système atmosphérique du DOE, qui se coordonne avec l'ARM Facility pour la collecte et l'analyse des données sur les nuages ​​et les aérosols.

Au cours de l'ACE-ENA, une grande partie des données dont les scientifiques ont besoin sont mieux collectées à partir de plates-formes aériennes. L'avion de recherche Gulfstream-159 (G-1) d'ARM fera le gros du travail, la pièce maîtresse de l'ARM Aerial Facility (AAF) gérée par le Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) à Richland, Washington. Il transportera 55 systèmes d'instruments au cours de vols de spirales et de jambes programmés de manière complexe.

En spirales, l'avion monte et descend à travers une gamme d'altitudes pour recueillir des profils verticaux d'aérosols et de nuages. Les jambes sont volées à plusieurs altitudes pour prendre des données d'en bas, dans, et au-dessus de la couverture nuageuse. Les schémas de vol des jambes fournissent des images de données détaillées des distributions verticales et des variations horizontales des nuages ​​bas et des aérosols.

Les jambes sont aussi parfois survolées dans la troposphère libre, au-dessus des nuages ​​de la couche limite. Les données de cette région atmosphérique aideront les scientifiques à comprendre si les particules d'aérosol observées proviennent de sources locales, ou sont transportés sur de longues distances.

Les grilles de vol de 60 × 60 kilomètres de l'expérience se concentreront sur le site au sol de l'île Graciosa de l'ENA. La plupart des pistes aéroportées seront à portée des radars à balayage ENA, permettant aux scientifiques d'obtenir le type d'informations microphysiques détaillées nécessaires pour évaluer les algorithmes utilisés pour récupérer les informations sur les nuages ​​à partir des observations radar.

Pour de bonnes données, beaucoup de temps de vol

Le G-1, un laboratoire de recherche aéroporté bi-turbopropulseur, effectuera deux missions de 40 jours au cours de la campagne en deux phases - environ 20 vols à chaque fois, jusqu'à quatre heures d'affilée. "Nous volerons autant que nous le pourrons, " déclare Beat Schmid, directeur de l'AAF, un scientifique de l'atmosphère au PNNL.

Au cours de l'ACE-ENA, le G-1 sera basé à 90 kilomètres de Graciosa, dans une base aérienne conjointe américano-portugaise appelée Lajes, sur l'île de Terceira.

Pendant ce temps, d'ici le 20 avril, l'ensemble d'instruments G-1 aura été entièrement intégré et testé dans un aéroport non loin de PNNL, un processus qui a commencé le 10 février. Ensuite, environ la moitié de cet équipement a dû être emballé et expédié séparément, dit Schmid, "nous avons donc assez de carburant" pour traverser l'Atlantique depuis une escale à St. John's, Terre-Neuve. Une fois à Lajes, le 15 juin, l'avion et les instruments seront réintégrés.

À bord, dans une première pour un avion du DOE, sera un Détecteur Holographique de Nuages ​​(HOLODEC), un appareil monté sur une aile qui prend des photos multidimensionnelles "incroyablement détaillées" de gouttelettes de nuages, dit Schmid. "Ce n'est pas une image au sens conventionnel du terme." Le processus est tellement gourmand en données, il ajoute, que les énormes fichiers résultants, trop volumineux pour Internet, doivent être renvoyés vers ARM sur des disques.

Le HOLODEC fournit des informations sur la façon dont les gouttelettes de nuage interagissent à des échelles microphysiques. Cela aidera également les scientifiques de l'ACE-ENA à étudier comment la distribution de la taille des gouttelettes de nuage est affectée par le mélange d'air nuageux avec un plus sec, air non trouble.

L'avion G-1 pilotera également le spectromètre de mobilité intégré rapide (FIMS), un instrument unique développé au BNL qui est utilisé pour mesurer à la fois les concentrations d'aérosols et la distribution granulométrique des aérosols.

Les instruments de l'ACE-ENA, au sol et dans les airs, tous partagent une mission collaborative :obtenir les meilleures données jamais enregistrées sur les nuages ​​bas liés au climat dans un environnement marin éloigné.

"Si vous vous trompez dans les modèles, " dit Schmid, "Cela a un impact énorme."