Les gouttelettes d'eau se regroupent-elles à l'intérieur des nuages ? Les chercheurs confirment deux décennies de théorie avec un instrument d'imagerie aéroporté.

Comme des gouttes de pluie qui sillonnent les vitres de votre voiture pendant que vous conduisez à travers une tempête de pluie, les gouttelettes d'eau dans les nuages ​​se déplacent dans les lignes de flux d'air, suivant les courants d'air généralement sans se toucher. Cependant, l'air à l'intérieur des nuages ​​a tendance à être turbulent, comme tout dépliant nerveux peut en témoigner, et l'air turbulent tourbillonnant provoque le regroupement des gouttelettes.

Depuis 20 ans, les scientifiques de l'atmosphère ont conjecturé que les gouttelettes d'eau se regroupent effectivement à l'intérieur des nuages, en grande partie en raison du fait que les flux d'air turbulents sont pleins de tourbillons en rotation qui mélangent bien les fluides. Mais les nuages ​​tourbillonnent à de si vastes échelles, que des doutes persistaient quant à savoir si la turbulence simulée par un ordinateur ou générée en laboratoire pouvait être transposée dans l'atmosphère. Une équipe de chercheurs en sciences atmosphériques a transporté des instruments dans l'atmosphère elle-même, et ont confirmé que les gouttelettes d'eau se regroupent effectivement à l'intérieur des nuages.

L'article, "Regroupement de gouttelettes à petite échelle dans les nuages ​​​​atmosphériques :fonction de distribution radiale 3-D à partir de l'holographie numérique aéroportée, " a été publié en novembre dans la revue Lettres d'examen physique .

Pour prendre cette décision, les chercheurs ont emmené leurs expériences dans le ciel, à l'aide d'un instrument holographique aéroporté appelé HOLODEC, abréviation de détecteur holographique de nuages. L'instrument est fixé sous l'aile de la plate-forme aéroportée instrumentée haute performance Gulfstream-V pour la recherche environnementale exploitée par le National Center for Atmospheric Research (NCAR) et la National Science Foundation (NSF). Le HOLODEC ressemble à une griffe, ses broches peuvent enregistrer des images en trois dimensions pour capturer la forme, la taille et la position spatiale de tout ce qui passe entre les deux.

"Le signal de clustering que nous avons observé est vraiment petit, comme c'est souvent le cas en science, une analyse minutieuse a dû être effectuée pour détecter un petit signal et nous convaincre qu'il était réel, " a déclaré Raymond Shaw, professeur de physique et directeur du programme doctoral en sciences de l'atmosphère.

Étendu à travers le ciel

Susanne Glienke, qui a été doctorant invité à la Michigan Technological University de l'Institut Max-Planck de chimie et de la Johannes Gutenberg-University à Mayence, Allemagne, a mené la collecte de données et l'analyse d'images holographiques. Elle a ensuite transmis l'information à Mike Larsen, professeur agrégé au College of Charleston et ancien élève de Michigan Tech, qui a examiné à quel point les gouttelettes se regroupent en calculant la probabilité de trouver deux gouttelettes espacées à une distance spécifique par rapport à la probabilité de les trouver à la même distance dans un cadre distribué aléatoirement. Il a déterminé que le regroupement des gouttelettes devient plus prononcé à des distances de particule à particule plus petites.

« Si les gouttelettes se regroupent dans les nuages, ils sont plus susceptibles d'entrer en collision, " a déclaré Glienke. " Les collisions augmentent la vitesse à laquelle les gouttelettes se développent, et peut donc réduire le temps nécessaire jusqu'au début des précipitations."

Glienke note que la connaissance du clustering améliore la connaissance générale des nuages ​​et peut conduire à des améliorations dans la prévision du comportement des nuages ​​:quand pleuvront-ils ? Combien de temps dureront les nuages ​​?

En outre, en plus d'influencer la pluie, le clustering réduit également la durée de vie du cloud. Si un nuage se dissipe plus rapidement, il a une plus petite influence sur le bilan radiatif et influence le climat mondial, si de nombreux nuages ​​sont impliqués.

L'expérience a nécessité un long échantillon continu, faire voler l'avion à travers des couches de nuages ​​stratocumulus à une altitude constante.

"Nous n'étions pas sûrs de pouvoir détecter un signal, " a déclaré Shaw. " Les nuages ​​que nous avons échantillonnés sont faiblement turbulents, mais ont l'avantage de s'étaler sur des centaines de kilomètres, afin que nous puissions échantillonner et faire la moyenne pendant une longue période."

Les nuages ​​marins se comportent différemment des nuages ​​terrestres. Les nuages ​​continentaux ont généralement des gouttelettes plus petites, en raison de noyaux de condensation de nuages ​​plus abondants, qui sont nécessaires à la condensation de l'eau. Nuages ​​continentaux, qui sont généralement plus turbulents, sont plus susceptibles d'avoir des gouttelettes groupées.

Le ciel est la limite

Étant donné que les nuages ​​examinés dans l'étude n'étaient pas particulièrement turbulents, ce qui signifiait qu'une distribution aléatoire de gouttelettes était plus probable, cela rendait la présence de gouttelettes groupées d'autant plus importante.

"Nous étions à la fois excités et sceptiques, lorsque nous avons vu pour la première fois un signal émerger des données très bruitées, " a déclaré Shaw. " Il a fallu beaucoup de discussions et de tests pour être sûr que le signal était significatif et non un artefact instrumental.

Shaw note que cette validation est importante pour le domaine de la science atmosphérique car le signal de clustering détecté est cohérent avec les concepts développés au cours des deux dernières décennies, basé sur des travaux de laboratoire et théoriques.

"Dans les nuages ​​avec des turbulences plus intenses, le signal de regroupement pourrait être beaucoup plus fort, et pourrait influencer la vitesse à laquelle les gouttelettes de nuages ​​entrent en collision pour former des gouttes de bruine, ", a déclaré Shaw. "Mais exactement comment cela se produit nécessitera plus de travail."

La recherche montre qu'il reste encore beaucoup à apprendre sur les nuages ​​et leurs effets sur la planète.