Les observations de l'atmosphère terrestre montrent que les orages sont souvent plus forts en présence de fortes concentrations d'aérosols, des particules en suspension trop petites pour être vues à l'œil nu.

Par exemple, les éclairs sont plus fréquents le long des routes maritimes, où les cargos émettent des particules dans l'air, par rapport à l'océan environnant. Et les orages les plus intenses des tropiques se préparent au-dessus de la terre, où les aérosols sont élevés à la fois par des sources naturelles et des activités humaines.

Alors que les scientifiques ont observé un lien entre les aérosols et les orages pendant des décennies, la raison de cette association n'est pas bien comprise.

Maintenant, les scientifiques du MIT ont découvert un nouveau mécanisme par lequel les aérosols peuvent intensifier les orages dans les régions tropicales. En utilisant des simulations idéalisées de la dynamique des nuages, les chercheurs ont découvert que des concentrations élevées d'aérosols peuvent augmenter l'activité orageuse en augmentant l'humidité de l'air entourant les nuages.

Ce nouveau mécanisme entre les aérosols et les nuages, que l'équipe a baptisé le mécanisme "d'entraînement d'humidité", pourraient être incorporés dans les modèles météorologiques et climatiques pour aider à prédire comment l'activité orageuse d'une région pourrait varier avec l'évolution des niveaux d'aérosols.

"C'est possible que, en nettoyant la pollution, les endroits pourraient connaître moins de tempêtes, " dit Tim Cronin, professeur adjoint de sciences de l'atmosphère au MIT. "Globalement, cela permet aux humains d'avoir une empreinte sur le climat que nous n'avons pas vraiment appréciée dans le passé."

Cronin et son co-auteur Tristan Abbott, un étudiant diplômé du Département de la Terre du MIT, Sciences atmosphériques et planétaires, ont publié aujourd'hui leurs résultats dans la revue Science .

Nuages ​​dans une boîte

Un aérosol est un ensemble de particules fines en suspension dans l'air. Les aérosols sont générés par des processus anthropiques, comme la combustion de biomasse, et la combustion dans les navires, des usines, et sorties d'échappement de voiture, ainsi que des phénomènes naturels tels que les éruptions volcaniques, embruns marins, et des tempêtes de poussière. Dans l'atmosphère, les aérosols peuvent agir comme des germes pour la formation de nuages. Les particules en suspension servent de surfaces en suspension dans l'air sur lesquelles la vapeur d'eau environnante peut se condenser pour former des gouttelettes individuelles qui s'accrochent comme un nuage. Les gouttelettes à l'intérieur du nuage peuvent entrer en collision et fusionner pour former de plus grosses gouttelettes qui finissent par tomber sous forme de pluie.

Mais lorsque les aérosols sont très concentrés, les nombreuses particules minuscules forment des gouttelettes de nuage tout aussi minuscules qui ne fusionnent pas facilement. Comment exactement ces nuages ​​chargés d'aérosols génèrent des orages est une question ouverte, bien que les scientifiques aient proposé plusieurs possibilités, que Cronin et Abbott ont décidé de tester dans des simulations de nuages ​​à haute résolution.

Pour leurs simulations, ils ont utilisé un modèle idéalisé, qui simule la dynamique des nuages ​​dans un volume représentant l'atmosphère terrestre sur un carré d'océan tropical de 128 kilomètres de large. La boîte est divisée en une grille, et les scientifiques peuvent observer comment des paramètres tels que l'humidité relative changent dans les cellules individuelles de la grille lorsqu'ils ajustent certaines conditions dans le modèle.

Dans leur cas, l'équipe a effectué des simulations de nuages ​​et représenté les effets d'une augmentation des concentrations d'aérosols en augmentant la concentration de gouttelettes d'eau dans les nuages. Ils ont ensuite supprimé les processus censés conduire deux mécanismes précédemment proposés, pour voir si les orages augmentaient encore lorsqu'ils augmentaient les concentrations d'aérosols.

Lorsque ces processus ont été arrêtés, la simulation a encore généré des orages plus intenses avec des concentrations d'aérosols plus élevées.

"Cela nous a dit que ces deux idées proposées précédemment n'étaient pas ce qui produisait des changements de convection dans nos simulations, ", dit Abbott.

En d'autres termes, un autre mécanisme doit être à l'œuvre.

Conduire des tempêtes

L'équipe a fouillé la littérature sur la dynamique des nuages ​​et a trouvé des travaux antérieurs qui indiquaient une relation entre la température des nuages ​​et l'humidité de l'air environnant. Ces études ont montré qu'à mesure que les nuages ​​s'élèvent, ils se mélangent à l'air clair qui les entoure, évaporant une partie de leur humidité et refroidissant ainsi les nuages ​​eux-mêmes.

Si l'air ambiant est sec, il peut absorber plus d'humidité d'un nuage et faire baisser sa température interne, tel que le nuage, chargé d'air froid, est plus lent à s'élever dans l'atmosphère. D'autre part, si l'air ambiant est relativement humide, le nuage sera plus chaud en s'évaporant et montera plus vite, générer un courant ascendant qui pourrait se transformer en orage.

Cronin et Abbott se sont demandé si ce mécanisme pouvait jouer un rôle dans l'effet des aérosols sur les orages. Si un nuage contient de nombreuses particules d'aérosol qui suppriment la pluie, il pourrait être capable d'évaporer plus d'eau dans son environnement. À son tour, cela pourrait augmenter l'humidité de l'air ambiant, offrant un environnement plus favorable à la formation d'orages. Cette chaîne d'événements, donc, pourrait expliquer le lien entre les aérosols et l'activité orageuse.

Ils ont mis leur idée à l'épreuve en utilisant la même simulation de la dynamique des nuages, cette fois en notant la température et l'humidité relative de chaque cellule de la grille dans et autour des nuages ​​alors qu'ils augmentaient la concentration d'aérosols dans la simulation. Les concentrations qu'ils ont établies allaient de conditions de faible teneur en aérosols similaires aux régions éloignées au-dessus de l'océan, aux environnements à forte teneur en aérosols similaires à l'air relativement pollué à proximité des zones urbaines.

Ils ont découvert que les nuages ​​bas avec des concentrations élevées d'aérosols étaient moins susceptibles de pleuvoir. Au lieu, ces nuages ​​ont évaporé de l'eau dans leur environnement, créant une couche d'air humide qui permettait à l'air de s'élever plus rapidement dans l'atmosphère aussi fort, courants ascendants d'orage.

"Après avoir établi cette couche humide relativement basse dans l'atmosphère, vous avez une bulle d'air chaud et humide qui peut servir de germe à un orage, " dit Abbott. " Cette bulle aura plus de facilité à monter à des altitudes de 10 à 15 kilomètres, c'est la profondeur à laquelle les nuages ​​doivent croître pour agir comme des orages."

Ce mécanisme "d'entraînement d'humidité", dans lequel les nuages ​​chargés d'aérosols se mélangent et modifient l'humidité de l'air environnant, semble être au moins une explication de la façon dont les aérosols entraînent la formation d'orages, en particulier dans les régions tropicales où l'air en général est relativement humide.

"Nous avons fourni un nouveau mécanisme qui devrait vous donner une raison de prédire des orages plus forts dans les parties du monde avec beaucoup d'aérosols, ", dit Abbott.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.