Maria Cadeddu, ingénieur principal de recherche atmosphérique à la division Sciences de l'environnement à Argonne, se tient à côté d'un radiomètre à micro-ondes sur le site d'ARM Southern Great Plains. Cadeddu et Virendra Ghate, un scientifique de l'atmosphère à Argonne, étudient la bruine à l'intérieur et au-dessous des systèmes de nuages marins. C'est un paramètre clé pour obtenir des prévisions climatiques plus précises. Crédit :Laboratoire National d'Argonne
Depuis l'espace, de grands ponts de nuages stratocumulus rapprochés apparaissent comme des boules de coton brillantes planant au-dessus de l'océan. Ils couvrent de vastes zones - littéralement des milliers de kilomètres d'océans subtropicaux - et s'attardent pendant des semaines, voire des mois.
Parce que ces nuages marins réfléchissent plus de rayonnement solaire que la surface de l'océan, refroidir la surface de la Terre, la durée de vie des stratocumulus est une composante importante du bilan radiatif de la Terre. Il est nécessaire, alors, pour représenter avec précision les durées de vie des nuages dans les modèles du système terrestre (ESM) utilisés pour prédire les conditions climatiques futures. La turbulence—les mouvements de l'air se produisant à petite échelle—est principalement responsable de la longévité des nuages stratocumulus marins.
De la bruine, c'est-à-dire des précipitations composées de gouttelettes d'eau d'un diamètre inférieur à un demi-millimètre, est constamment présente à l'intérieur et au-dessous de ces systèmes de nuages marins. Parce que ces minuscules gouttes affectent et sont affectées par les turbulences sous les nuages marins, les scientifiques doivent en savoir plus sur la façon dont la bruine affecte la turbulence dans ces nuages pour permettre des prévisions climatiques plus précises.
Une équipe dirigée par Virendra Ghate, un scientifique de l'atmosphère, et Maria Cadeddu, un ingénieur principal de recherche atmosphérique dans la division des sciences de l'environnement au Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), étudie l'impact de la bruine à l'intérieur des nuages marins depuis 2017. Leur ensemble de données unique a attiré l'attention des chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory du DOE.
Il y a environ trois ans, un collaborateur de Livermore, qui a conduit les efforts nationaux pour améliorer la représentation des nuages dans les modèles climatiques, a demandé des études d'observation axées sur les interactions bruine-turbulence. De telles études n'existaient pas à l'époque en raison du nombre limité d'observations et du manque de techniques pour dériver toutes les propriétés géophysiques préoccupantes.
"L'analyse de l'ensemble de données développé nous a permis de montrer que la bruine diminue la turbulence sous les nuages stratocumulus - quelque chose qui n'était montré que par les simulations de modèles dans le passé, " a déclaré Ghate. " La richesse des données développées nous permettra de répondre à plusieurs questions fondamentales concernant les interactions bruine-turbulence à l'avenir. "
Cette image résume les résultats d'Argonne et les conclusions des recherches de Virendra Ghate et Maria Cadeddu. Le schéma montre que lorsque tout le reste reste le même, la turbulence sous le nuage est plus faible dans des conditions de bruine que dans des conditions sans bruine. Crédit :Virendra Ghate et Maria Cadeddu/Laboratoire national d'Argonne
L'équipe d'Argonne a entrepris de caractériser les propriétés des nuages à l'aide d'observations sur le site de l'Atlantique Nord Est de l'Atmospheric Radiation Measurement (ARM), une installation utilisateur du DOE Office of Science, et les données des instruments à bord des satellites géostationnaires et en orbite polaire. Les instruments collectent des variables d'ingénierie, telles que les tensions et les températures. L'équipe a combiné les mesures de différents instruments pour dériver les propriétés de la vapeur d'eau et de la bruine dans et sous les nuages.
Ghate et Cadeddu se sont intéressés aux variables géophysiques, comme la teneur en eau des nuages, granulométrie de la bruine et autres. Ils ont donc développé un nouvel algorithme qui a récupéré de manière synergique tous les paramètres nécessaires impliqués dans les interactions bruine-turbulence. L'algorithme utilise les données de plusieurs instruments ARM, notamment le radar, lidar et radiomètre—pour dériver les variables géophysiques d'intérêt :taille (ou diamètre) des gouttes de précipitation, quantité d'eau liquide correspondant aux gouttes de nuages, et les chutes de précipitations. En utilisant les données d'ARM, Ghate et Cadeddu ont dérivé ces paramètres, publiant par la suite trois études d'observation qui se sont concentrées sur deux organisations spatiales différentes des nuages stratocumulus pour caractériser les interactions bruine-turbulence dans ces systèmes nuageux.
Leurs résultats ont conduit à un effort de collaboration avec des modélisateurs de Livermore. Dans cet effort, l'équipe a utilisé des observations pour améliorer la représentation des interactions bruine-turbulence dans le modèle du système terrestre exascale énergétique (E3SM) du DOE.
"Les références d'observation de la technique de récupération de Ghate et Cadeddu nous ont aidés à déterminer que la version 1 d'E3SM produit des processus de bruine irréalistes. Notre étude collaborative implique que des examens complets des processus modélisés de nuage et de bruine avec des références d'observation sont nécessaires pour les modèles climatiques actuels, " a déclaré Xue Zheng, un scientifique du personnel dans l'atmosphère, Terre, et la division Énergie de Livermore.
Dit Cadeddu :"En général, l'expertise unique ici au laboratoire est attribuable à notre capacité à passer des données brutes aux paramètres physiques et de là aux processus physiques dans les nuages. Les données et les instruments eux-mêmes sont très difficiles à utiliser car ce sont pour la plupart des capteurs à distance qui ne mesurent pas directement ce dont nous avons besoin (par exemple, taux de pluie ou trajet d'eau liquide); au lieu, ils mesurent les propriétés électromagnétiques telles que la rétrodiffusion, Spectres Doppler et radiance. En outre, le signal brut est souvent affecté par des artefacts, bruit, aérosols et précipitations. Les données brutes sont soit directement liées aux grandeurs physiques que nous voulons mesurer à travers des ensembles d'équations bien définis, ou ils sont indirectement liés. Dans le dernier cas, dériver les quantités physiques signifie résoudre des équations mathématiques appelées "problèmes inverses" qui, par eux-mêmes, sont compliqués. Le fait que nous ayons pu développer de nouvelles façons de quantifier les propriétés physiques des nuages et d'extraire des informations fiables à leur sujet est une réalisation majeure. Et cela nous a mis à la pointe de la recherche sur ces types de nuages."
Parce qu'ils se sont concentrés uniquement sur les quelques aspects des interactions complexes bruine-turbulence, Ghate et Cadeddu prévoient de poursuivre leurs recherches. Ils entendent également se concentrer sur d'autres régions telles que les océans Pacifique Nord et Atlantique Sud, où le nuage, les propriétés de bruine et de turbulence diffèrent considérablement de celles de l'Atlantique Nord.
