Regarde les nuages, s'il y en a dans votre ciel en ce moment. Regarde les flots, les hautes touffes blanches se détachaient sur le ciel bleu. Ou, selon votre météo, regardez les bords gris doux s'étaler dans des tons mélangés qui descendent dans l'air jusqu'au sol.

Ils sont une inspiration pour la plupart d'entre nous, mais un cauchemar pour les climatologues. Les nuages ​​sont des créatures exceptionnellement complexes, et cette complexité rend difficile de prédire comment et où ils se formeront - ce qui est malheureux, puisque ces prévisions sont essentielles pour comprendre les régimes de précipitations et comment notre climat changera à l'avenir.

Mais les chercheurs de l'Université de l'Utah ont peut-être trouvé un moyen de réduire considérablement la difficulté de prédire la formation de nuages. Les résultats, publié aujourd'hui dans Journal of Geophysical Research-Atmospheres pourrait combler une lacune clé dans la compréhension des scientifiques de la façon dont le changement climatique peut jouer.

"Nous avons utilisé la thermodynamique simple, " dit le professeur de sciences atmosphériques Tim Garrett, "prédire qu'il devrait y avoir beaucoup de petits nuages ​​et peu de gros nuages ​​dans des proportions qui obéissent à des lois mathématiques simples."

Les nuages ​​sont des jokers climatiques

Des nuages, en particulier ceux des tropiques, font partie du système de la Terre pour se débarrasser de l'excès de chaleur généré par le soleil. C'est pourquoi ils sont importants pour les climatologues. Ils font partie d'un tapis roulant vertical, soulevant l'air chaud flottant jusqu'à une altitude où la chaleur peut être facilement rayonnée dans l'obscurité froide de l'espace. Mais les nuages ​​peuvent jouer avec la chaleur d'autres manières.

"Pensez à la rapidité avec laquelle un nuage peut changer la température lors d'un pique-nique d'été, ", déclare le chercheur postdoctoral et co-auteur de l'étude Ian Glenn. "Un léger changement dans la fraction ou la distribution de même quelques petits nuages ​​par une belle journée claire peut faire ou défaire une sortie."

Les nuages ​​grossissent et rétrécissent constamment lorsqu'ils échangent de l'air avec l'air sec environnant. Jusque là, on ne sait pas comment les nuages ​​interviennent dans les effets du changement climatique mondial :les nuages ​​ralentiront-ils le réchauffement ? Ou l'améliorer ? Le réchauffement créera-t-il plus de nuages ​​? Si c'est le cas, quelles régions seront les plus touchées ?

Cette incertitude peut être vue dans la gamme de valeurs de sensibilité climatique, ou la réponse de la température à un doublement du dioxyde de carbone dans l'atmosphère. Les projections actuelles indiquent que l'augmentation pourrait se situer entre 1,5 et 4,5 degrés Celsius. Il est difficile de le cerner beaucoup plus que cela en raison du problème de compréhension du rôle des nuages ​​et des précipitations dans un climat changeant.

« La gamme basse et la gamme haute sont toutes deux de mauvaises nouvelles pour la civilisation, " Garrett dit, "mais l'un est clairement beaucoup plus catastrophique, c'est donc un problème assez important à résoudre."

Les nuages ​​sont profondément complexes

Les chercheurs ont précédemment abordé le problème des nuages ​​en essayant de comprendre les couches de complexité inhérentes à la façon dont les nuages ​​interagissent avec la surface, l'air et même eux-mêmes. Le co-auteur de l'étude, Steven Krueger, déclare que les processus physiques dans les nuages ​​vont des gouttelettes de nuage, à l'échelle micrométrique, à des systèmes cloud à grande échelle pouvant s'étendre sur un continent. Et la turbulence inhérente aux nuages ​​crée des tourbillons - des spirales d'énergie turbulente - qui étendent le pouvoir prédictif de même les meilleurs modèles de nuages ​​exécutés sur des superordinateurs.

"Pour modéliser toutes les échelles de l'atmosphère globale, des plus petits tourbillons turbulents à l'échelle mondiale prendrait environ un milliard de milliards de fois ce que nous pouvons actuellement utiliser dans nos ordinateurs, " dit Krueger. " Nous pouvons calculer entièrement toute la physique des nuages ​​dans un volume d'environ 1 mètre de côté, pendant environ 10 minutes, à un coût de calcul de 10, 000 heures CPU."

Pour contourner cette complexité, les modélisateurs climatiques simulent à grande échelle tout en faisant des hypothèses simplificatrices sur les processus à petite échelle. Mais que se passe-t-il s'il existe un autre moyen :et si les nuages ​​​​suivaient des principes mathématiques simples qui peuvent recréer les statistiques de la complexité des nuages ​​sans avoir besoin de ressources informatiques massives ?

Les nuages ​​sont des conduits qui fuient

Revenons au concept des nuages ​​en tant que conduits de chaleur vers la haute atmosphère. Du tout, tranchant, le nuage blanc est composé de gouttelettes d'eau, contrairement au clair, bleu, l'air relativement plus sec autour d'elle. Le blanc, les nuages ​​humides et le bleu, l'air sec sont en contact permanent les uns avec les autres, partageant une frontière commune. C'est cette limite qui a fait réfléchir Garrett.

Au fur et à mesure que des gouttelettes d'eau se forment à l'intérieur des nuages, un peu de chaleur se dégage, faire flotter les nuages ​​dans l'atmosphère. Garrett dit que cela rend les nuages ​​​​efficaces dans leur travail d'élimination de la chaleur du sol - et signifie également que le chaud, l'air ascendant est turbulent et peut déborder des côtés du nuage lorsqu'il s'élève.

"Cette prise de conscience sur les nuages ​​en tant que conduits qui fuient m'a fait penser que l'endroit où chercher pour comprendre les nuages ​​et le climat n'était pas leurs zones regardant vers le bas, comme c'est généralement le cas, mais à la place leurs bords, " dit Garrett.

Il a commencé à étudier la thermodynamique le long des périmètres et des bords des nuages, et trouvé que le périmètre horizontal total des nuages, les échanges turbulents de chaleur et d'humidité à travers les bords des nuages ​​et le profil vertical de température et d'humidité de l'atmosphère pourraient tous être liés. Un avantage notable :les profils verticaux de température et d'humidité atmosphériques sont relativement simples à prévoir dans des climats changeants, de sorte que le lien avec la quantité de nuages ​​simplifie un problème notoirement difficile.

Quelques autres principes de la dynamique des nuages ​​qui découlent des équations des auteurs :La compétition entre les nuages ​​pour la chaleur et l'humidité atmosphériques aide à expliquer combien de nuages ​​se forment. Le produit du nombre de nuages ​​et de leur périmètre reste constant, une loi mathématique connue sous le nom d'invariance d'échelle. Cela signifie qu'un grand nombre de nuages ​​​​ont un périmètre pauvre tandis que quelques chanceux sont riches. Aussi, ces relations entre les différentes classes de taille des nuages ​​s'avèrent indépendantes de la température atmosphérique. Plus sur ce sujet dans une minute.

Garrett et ses collègues ont testé leurs découvertes théoriques en comparant leur modèle statistique à l'un des méga-modèles de formation des nuages, le modèle Giga-LES. Il simule 24 heures complètes de temps atmosphérique sur une zone de 150 milles carrés (400 kilomètres carrés) à haute résolution. Une simulation de 24 heures en prend 300, 000 heures de processeur pour terminer. le modèle de Garrett, basé sur quelques lignes d'équations physiques, reproduit des statistiques clés sur la taille et la forme des nuages ​​dans le modèle dynamique Giga-LES à 13 % près.

Il y a des choses qu'un modèle statistique ne peut pas faire, bien sûr. "Ça ne peut pas se montrer, par exemple, un nuage ressemblant à Mickey Mouse apparaissant à un moment ou à un endroit particulier, " Garrett dit, "Il est donc mieux adapté aux prévisions sur le climat à long terme plutôt qu'à la météo à court terme."

Les nuages ​​suivent les règles

Donc, Qu'est-ce que cela signifie pour les modélisateurs du changement climatique qui veulent savoir comment les nuages ​​réagiront au réchauffement des températures mondiales ?

"C'est assez spéculatif, " Garrett dit, "mais la suggestion de notre étude est que les rétroactions nuage-climat peuvent être faibles, car les nuages ​​tropicaux vont se réorganiser dans un climat plus chaud afin de continuer leur impact actuellement faible sur les températures de surface." En d'autres termes, alors que la quantité totale de couverture nuageuse peut augmenter, les proportions de tailles de nuages ​​à différentes altitudes ne changeront probablement pas beaucoup. Si ce modèle fait ses preuves, les climatologues pourront peut-être respirer un peu plus facilement en sachant que les nuages ​​n'amplifieront probablement pas le réchauffement climatique.

"Si ces retours cloud sont plus petits que prévu, " Garrett dit, "la Terre ne se réchauffera peut-être pas aussi vite que nos pires craintes."

Lisez l'étude complète ici.