Au dessus de l'océan Atlantique, des nuages ​​blancs gonflés traversent le ciel, secoués par des alizés invisibles. Ils ne sont pas 'particulièrement gros, impressionnant ou étendu, " dit le Dr Sandrine Bony, climatologue et directeur de recherche au Centre national de la recherche scientifique. "Mais ce sont les nuages ​​​​les plus omniprésents sur Terre."

Les nuages ​​sont l'un des plus grands points d'interrogation dans les modèles climatiques mondiaux, et un joker pour prédire ce qui arrivera au climat à mesure que les températures augmenteront. Ils jouent un rôle essentiel dans la quantité de rayonnement solaire qui pénètre et reste piégée dans notre atmosphère. Plus il y a de nuages, plus le rayonnement rebondit sur leurs sommets et est réfléchi dans l'espace; cela signifie également que s'il y a plus de nuages, le rayonnement réfléchi par la Terre est piégé. Historiquement, les chercheurs ont eu du mal à comprendre les propriétés du cloud, comment ils se comportent actuellement, et comment ils réagiront à l'augmentation des températures causée par le changement climatique.

C'est une question d'échelle, explique le Dr Bony. Des interactions microscopiques des atomes aux courants atmosphériques qui agissent sur des milliers de kilomètres, de nombreuses forces affectent la formation des nuages, leur composition et leur comportement.

Les nuages ​​ressemblant à du coton dans l'Atlantique, qu'étudient le Dr Bony et ses collègues, sont un bon exemple. "Un petit changement dans leurs propriétés a un impact énorme sur l'équilibre radiatif global (l'équilibre entre la quantité d'énergie solaire qui pénètre dans l'atmosphère terrestre et la quantité qui s'en échappe), " dit-elle. Parce que ces nuages ​​de beau temps (appelés nuages ​​cumuliformes) sont si communs, un petit changement a un poids statistique « énorme » dans le climat mondial.

"C'est la plus grande question - il n'y a pas de plus grande question, " a déclaré le professeur Bjorn Stevens, directeur de l'Institut Max Planck de météorologie en Allemagne et co-responsable du Dr Bony sur le projet EUREC4A qui a entrepris d'étudier ces nuages ​​blancs duveteux. « Depuis 50 ans, les gens ont fait des projections climatiques, mais tous ont eu une fausse représentation des nuages." Ces projections, il dit, ont souffert d'une mauvaise compréhension des facteurs déterminant le degré de nébulosité du climat et n'ont pas été correctement représentés dans les modèles.

Expérience sur le terrain

Le projet EUREC4A, qui a commencé comme une modeste expérience sur le terrain pour mesurer le mouvement de l'air et la nébulosité, a attiré de nombreux partenaires et s'est élargi. À la fin, il comprenait cinq avions de recherche avec équipage et six avions de recherche télépilotés, quatre navires de recherche océanique, une flottille de dériveurs et de planeurs, un réseau de satellites, et les mesures de l'Observatoire des nuages ​​de la Barbade.

"L'expérience a gagné en complexité et en portée pour répondre à un certain nombre d'autres questions fascinantes, " a déclaré le professeur Stevens, comme la quantité et la facilité de pluie des nuages, et comment les tourbillons dans l'océan et les nuages ​​au-dessus s'affectent les uns les autres. L'équipe est en train de rédiger ses résultats, et espère que leurs mesures apporteront les réponses à ces questions. "Nous établirons une vérité de terrain pour un nouvel ensemble de modèles climatiques, " il a dit.

Pour le Dr Bony, l'étape suivante va au-delà de la compréhension des propriétés des nuages ​​et de la zone qu'ils couvrent.

"Maintenant, nous découvrons que ce n'est pas seulement la superficie totale, mais aussi la façon dont les nuages ​​sont distribués et organisés, " dit-elle. Les motifs qu'ils forment pourraient également influencer la façon dont ils bloquent ou absorbent le rayonnement, et cette information pourrait avoir des implications sur le rôle des nuages ​​dans le changement climatique.

Dr Jan Härter, spécialiste de la complexité atmosphérique au Leibniz Center for Tropical Marine Research, l'Université Jacobs de Brême, l'Allemagne et l'Institut Niels Bohr au Danemark, étudie cette question dans son projet INTERACTION. "De nombreux types de nuages ​​présentent des caractéristiques d'organisation, mais les nuages ​​orageux (sous les tropiques) montrent une auto-organisation, " at-il dit. INTERACTION regarde comment les orages se regroupent, en utilisant la simulation ainsi qu'en développant des modèles de base pour leur comportement.

Auto-organisation

Les nuages ​​peuvent s'organiser pour de nombreuses raisons, comme lorsqu'ils se trouvent au-dessus d'une zone urbaine qui a tendance à être plus chaude que la campagne à cause de tout le béton et l'asphalte. L'auto-organisation se produit lorsque des nuages ​​se forment et se regroupent même si les conditions en dessous et la lumière du soleil au-dessus d'eux sont uniformes.

Nuages ​​d'orage, connu sous le nom de cumulonimbus (qui vient du latin cumulus 'entassé' et nimbus 'pluie'), sont de hauts nuages ​​verticaux qui apportent souvent de la pluie. Ces nuages ​​sont le type de nuages ​​dominant dans les tropiques et sont également essentiels pour comprendre le bilan radiatif global. "Ils sont à la latitude où la majeure partie de la chaleur arrive sur Terre, et le rayonnement du soleil y est beaucoup plus fort, " a déclaré le Dr Härter. Ces nuages ​​en forme de tour affectent la quantité de lumière du soleil qui pénètre dans l'atmosphère, ce qui a des implications directes sur le réchauffement.

« La question est de savoir dans quelle mesure ces grands nuages ​​​​changent-ils dans le regroupement lorsque, par exemple, changements de température, " dit-il. Cependant, comme la plupart des problèmes impliquant des nuages, Ceci est une question difficile à répondre.

INTERACTION aborde le sujet sous deux angles différents :l'un consiste à faire des simulations, qui nécessitent un temps de calcul important, et une autre consiste à développer des modèles « jouets » qui expliquent les interactions fondamentales orage-nuage.

"Les modèles de jouets sont des simulations très basiques qui parlent des interactions fondamentales entre les nuages ​​d'orage. Par exemple, Le Dr Härter et ses collègues essaient de comprendre comment ces nuages ​​se « parlent » et s'auto-organisent en décomposant ces interactions physiques complexes en leurs composants de base.

Quand il y a un orage, la majeure partie de la pluie tombe au sol mais une partie s'évapore dans l'air sous le nuage. Cet air, ayant incorporé l'humidité froide, devient une 'piscine froide, " explique Härter. " Cette évaporation est cruciale dans la communication des signaux d'un nuage à l'autre. "

S'il y a des centaines et des milliers de nuages ​​dans une grande zone, les piscines froides en dessous se cognent les unes contre les autres, pousser l'air dans les parties les plus froides de l'atmosphère et semer de nouveaux nuages ​​​​orageux.

L'un de leurs modèles « jouets » montre comment ces piscines froides interagissent et ce cycle (de piscines froides entrant en collision et générant de nouveaux nuages) peut durer des générations (une dure environ six heures) de nuages, encodant les souvenirs des nuages ​​et des tempêtes passés dans le nuage topique actuel. Les piscines froides peuvent continuer à influencer la génération de nuages ​​pendant des semaines.

Ces modèles très basiques sont nécessaires, says Dr. Härter, in order to remove some of the unknowns for simulating cloud behaviour, such as how these cold pools interact. The team's simulations already incorporate parameters such as wind speed, humidity, Température, and cloud composition, which is the different ratios of water, la glace, and an icy mixture called graupel.

Echoing EUREC4A's Dr. Bony and Prof. Stevens, Dr. Härter said:"We don't know how clouds work, especially these thunderstorm clouds that take place at scales that are hard or impossible to resolve with the current climate models."

Simulation

To take the sheer scale of cloud and their driving forces into consideration, an accurate simulation would have to include disparate variables from the motion of atoms and the energy they dissipate (nanometres) through to the Earth's rotation and global winds on the scale of about 10, 000km. "The very best we can do for, dire, a week of simulations is to resolve (the 100-metre scale) for an area of one kilometre by one kilometre, or so, " he said. "And that is a big simulation."

The ultimate goal of the project is to have a model for cloud organisation that captures the interactions between past and present thunderstorm clouds, and feed this information into the next generation of climate models. The next step is to begin a field work and feed new measurements into their models.

"We need to have a clearer understanding of the different cloud-system feedbacks to make a strong statement on climate change here, " Dr. Härter said. "The models have different ways of representing tall clouds and low clouds, and that is something that cannot be resolved without closer observational data."

And in order to prepare for a warming climate, and predict how the world's insulating cloud layer will change, first we need to understand how it operates now.