Une équipe dirigée par des scientifiques de l'atmosphère du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie a démontré les toutes premières observations à distance de la structure à petite échelle à la base des nuages. Les résultats, qui viennent d'être publiés dans npj Climate and Atmospheric Science , montrent que l'interface air-nuage n'est pas une frontière parfaite mais plutôt une zone de transition où les particules d'aérosol en suspension dans l'atmosphère terrestre donnent naissance aux gouttelettes qui finissent par former les nuages.

"Nous nous intéressons à cette" zone d'activation des gouttelettes ", où la plupart des gouttelettes des nuages ​​se forment initialement à la base du nuage, car le nombre de gouttelettes formées à cet endroit affectera les étapes ultérieures et les propriétés du nuage, y compris la quantité de lumière solaire qu'un nuage reflète et la probabilité de précipitations", a déclaré Fan Yang, scientifique atmosphérique de Brookhaven, le premier auteur de l'article.

"S'il y a plus d'aérosols dans l'atmosphère, les nuages ​​ont tendance à avoir plus de gouttelettes, mais les gouttelettes seront chacune plus petites, ce qui signifie qu'elles peuvent réfléchir plus de lumière solaire", a déclaré Yang. "Cela pourrait aider à refroidir notre Terre en train de se réchauffer", a-t-il noté.

Mais pour prédire avec précision les impacts de ces interactions aérosols-nuages ​​sur le système climatique, les scientifiques ont besoin d'un moyen de mesurer les concentrations du nombre de gouttelettes nuageuses, sans avoir à voler dans de nombreux nuages ​​pour collecter des échantillons.

"Cela reste l'un des plus grands défis dans notre domaine", a déclaré Yang.

Les nouvelles mesures et la nouvelle méthode de télédétection offrent une nouvelle façon d'estimer la concentration de gouttelettes, ce qui permettra aux scientifiques de mieux comprendre comment les changements dans les niveaux d'aérosols atmosphériques pourraient affecter les nuages ​​et le climat.

Voir les nuages ​​plus en détail

Les lidars atmosphériques, qui envoient des faisceaux laser dans l'atmosphère et mesurent les signaux de lumière rétrodiffusés par les molécules, les aérosols et les gouttelettes de nuages ​​dans l'atmosphère, ont été largement utilisés pour mesurer la distance jusqu'à la base des nuages. Mais les lidars traditionnels ne peuvent pas résoudre les structures détaillées au sein de la base du nuage, car ils ont généralement une résolution de 10 mètres ou plus.

"Dix mètres, c'est comme la hauteur d'un bâtiment", a déclaré Yang, soulignant la capacité de cette échelle à détecter de gros objets. "Mais pour savoir combien d'étages ou de fenêtres possède ce bâtiment, il faudrait une résolution beaucoup plus fine."

Pour voir les détails de la base cloud, l'équipe de Brookhaven a travaillé avec des collègues du Stevens Institute of Technology (SIT) et de Raymetrics S.A. pour créer un nouveau type de lidar. Leur dispositif, décrit dans une publication antérieure, est un lidar à comptage de photons uniques (lidar T2), corrélé dans le temps, avec une résolution allant jusqu'à 10 centimètres. Cela représente une résolution de deux ordres de grandeur supérieure à celle des lidars atmosphériques traditionnels.

"Avec une si haute résolution, les observations lidar T2 révèlent la zone de transition où les particules d'aérosol absorbent la vapeur d'eau pour être transformées en gouttelettes nuageuses", a déclaré Yang.

"Nous avons utilisé nos observations T2 à échelle fine sans précédent de la région de base des nuages ​​pour développer un modèle théorique permettant d'estimer la concentration de gouttelettes nuageuses sur la base des signaux de rétrodiffusion mesurés en T2", a-t-il ajouté.

Une caractéristique unique du lidar T2 est l'application de la technique de synchronisation temporelle, qui oblige le détecteur à ouvrir son « œil » pour effectuer des mesures dans une fenêtre d'observation étroite de l'atmosphère.

"Ce time gate nous permet de "regarder" une région d'intérêt spécifique dans le nuage. Ceci est différent d'un lidar conventionnel, où "l'œil" du lidar est généralement ouvert, étant prêt à capturer des photons rétrodiffusés presque tout le temps. ", a déclaré Yang.

En réglant le délai entre l'impulsion laser du lidar T2 et l'ouverture de l'œil sur différents intervalles de temps, les scientifiques peuvent échantillonner des signaux dans différentes régions du nuage.

L'appareil a également un taux de répétition très élevé, déclenchant 20 000 impulsions laser par seconde.

"Nous pouvons en apprendre davantage sur les propriétés des nuages ​​grâce à la façon dont les signaux rétrodiffusés sont distribués dans la fenêtre d'observation", a déclaré Yang.

Application pour les observations de chambres à nuages

Pour que la technique soit réellement utile pour des mesures précises à distance du monde réel, le lidar T2 devra être correctement calibré. Autrement dit, les scientifiques doivent bien comprendre comment les signaux lumineux mesurés correspondent aux propriétés réelles des nuages ​​afin de pouvoir affiner les algorithmes de calcul qu'ils ont écrits pour relier les uns aux autres.

Les mesures lidar traditionnelles des nuages ​​atmosphériques sont parfois recoupées et calibrées en faisant voler un avion à travers les nuages ​​pour capturer des échantillons de gouttelettes. Les scientifiques tentent de calibrer les lectures lidar avec les « vraies » propriétés des gouttelettes issues des mesures in situ des avions.

"Le problème est que la télédétection et les mesures in situ ne sont généralement pas colocalisées", a déclaré Yang. Autrement dit, il est très improbable qu'un lidar pointant vers le haut avec une résolution grossière et un avion volant horizontalement pour collecter un mince flux d'échantillons collectent des données sur la même partie du nuage en même temps.

Pour améliorer cette situation, l'équipe de Brookhaven et SIT utilise une technique similaire à celle utilisée dans le lidar T2 pour construire un lidar avec une résolution encore plus fine, jusqu'à un centimètre. En utilisant ce lidar à plus haute résolution pour effectuer des observations dans une chambre à nuages ​​en laboratoire, ils seront en mesure de faire correspondre les signaux de rétrodiffusion avec des mesures in situ des propriétés physiques des nuages ​​prises au même moment et au même endroit.

"Nous pourrons alors ramener le lidar dans l'atmosphère réelle et être plus sûrs de la façon dont nos mesures lidar sont liées aux propriétés des nuages ​​telles que le nombre de gouttelettes, leur concentration et leur distribution", a déclaré Yang.

"Ce n'est qu'un début", a noté Yang. "Notre étude met en évidence les avantages de l'application de technologies avancées pour observer les nuages ​​atmosphériques à des échelles submétriques, ce qui peut ouvrir de nouvelles voies pour faire progresser notre compréhension des propriétés et des processus microphysiques des nuages ​​qui sont cruciaux pour la météo et le climat."