Une expérience du CERN éclaire la formation des nuages

Genève, le 16 mai 2014. Dans un article publié aujourd’hui dans la revue Science, l’expérience CLOUD1, au CERN2, rapporte que les vapeurs biogènes émises par les arbres et oxydées dans l’atmosphère jouent un rôle important dans la formation des nuages et contribuent ainsi au refroidissement de la planète. Ces aérosols biogènes sont ce qui donne aux forêts, vues de loin, leur halo bleu caractéristique. L’étude de CLOUD montre que les vapeurs biogènes oxydées se combinent avec de l’acide sulfurique pour former des particules embryonnaires, lesquelles peuvent ensuite grandir et devenir les noyaux de condensation autour desquels les gouttelettes des nuages peuvent se former. Ce résultat fait suite à des mesures antérieures de CLOUD montrant que, contrairement à ce qu’on pensait auparavant, l’acide sulfurique ne peut pas à lui seul former de nouvelles particules dans l'atmosphère.
« C'est un résultat très important, a déclaré Jasper Kirkby, porte-parole de CLOUD, car il identifie un ingrédient clé responsable de la formation de nouvelles particules d’aérosol dans une grande partie de l’atmosphère. Or les aérosols, avec leur influence sur les nuages, ont été reconnus par le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat comme la plus grande source d’incertitude dans les modèles climatiques actuels. »
Les gouttelettes qui composent les nuages se forment autour de particules d’aérosol qui peuvent soit être émises directement, par exemple par l’évaporation des embruns, soit se former par un processus appelé nucléation, dans lequel des vapeurs atmosphériques à l’état de traces s’agglutinent pour former de nouvelles particules qui peuvent grandir et devenir des noyaux de condensation. On estime qu’environ la moitié de ces « graines de nuages » proviennent de particules produites par nucléation, mais ce processus est mal connu.
La chambre CLOUD a obtenu des concentrations de contaminants beaucoup plus basses que les expériences précédentes, ce qui a permis de mesurer la nucléation en laboratoire dans des conditions atmosphériques réglées avec précision. L’expérience a plusieurs aspects uniques, notamment la possibilité de maîtriser l’intensité du faisceau de « rayons cosmiques » issu du PS du CERN, la capacité de supprimer complètement les ions au moyen d’un fort champ électrique, l’ajustement précis de la « lumière du soleil » produite par un système d’UV à fibre optique, et une exploitation extrêmement stable quelle que soit la température de l’atmosphère.
On pense que l’acide sulfurique joue un rôle clé, mais des expériences précédentes de CLOUD ont montré que, à lui seul, l’acide sulfurique a un effet bien plus faible qu’attendu. L’acide sulfurique présent dans l'atmosphère provient du dioxyde de soufre, produit principalement par les combustibles fossiles. Le nouveau résultat montre que les vapeurs biogènes oxydées dérivées de l'alpha-pinène provenant des arbres forment rapidement de nouvelles particules en se combinant avec l’acide sulfurique. Il s’avère que les ions produits dans l’atmosphère par les rayons cosmiques galactiques font augmenter considérablement le taux de formation de ces particules, mais seulement quand les concentrations d’acide sulfurique et de vapeurs biogènes oxydées sont relativement faibles. L’article de CLOUD inclut des études de modélisation à l’échelle mondiale qui montrent comment ce nouveau processus peut expliquer les variations saisonnières observées pour les particules d’aérosol atmosphériques, qui sont dues à la hausse des émissions globales des arbres durant l'été septentrional.
« S’il a fallu si longtemps pour comprendre quelles vapeurs sont responsables de la formation de nouvelles particules dans l’atmosphère, c’est parce que ces substances sont présentes en quantités minimes, avec environ une molécule pour mille milliards de molécules d’air, explique Jasper Kirkby. Atteindre ce niveau de propreté et de maîtrise dans une expérience de laboratoire est à la limite de la technologie actuelle. Le savoir-faire du CERN a été crucial pour faire de CLOUD la première expérience qui réussisse cette performance ».
Les vapeurs biogènes rejoignent une autre catégorie de vapeurs à l’état de traces, appelées amines. CLOUD avait déjà montré que les amines s'agglutinent avec l'acide sulfurique pour produire de nouvelles particules d'aérosol dans l'atmosphère. Par contre, les amines ne sont présentes qu’à proximité de leurs sources premières, telles que les élevages, alors les vapeurs biogènes provenant des arbres sont omniprésentes au-dessus des continents. Ce tout récent résultat de CLOUD pourrait par conséquent expliquer en grande partie la naissance de ce qui deviendra des nuages dans la basse atmosphère, dans le monde entier. Ainsi, si les aérosols d’acide sulfurique ont effectivement une influence considérable sur la formation des nuages, ils ont cependant besoin de l’aide des arbres.
 
Pour plus d’informations :
L’article scientifique
Dossier d’information pour les médias scientifiques
Site web de l’expérience CLOUD

 

Note(s)

1. L’expérience CLOUD (Cosmics Leaving OUtdoor Droplets – rayons cosmiques créant des gouttelettes) au CERN est menée par une collaboration de 19 instituts, dont les domaines de spécialité vont de la physique des particules à science de l’atmosphère, qui se sont réunis pour étudier le processus de formation des nuages et en particulier le rôle des rayonnements ionisants issus des rayons cosmiques, simulés par un faisceau de particules provenant de l’accélérateur PS du CERN.

2. Le CERN, Organisation européenne pour la Recherche nucléaire, est le plus éminent laboratoire de recherche en physique des particules du monde. Il a son siège à Genève. Ses États membres actuels sont les suivants : Allemagne, Autriche, Belgique, Bulgarie, Danemark, Espagne, Finlande, France, Grèce, Hongrie, Israël, Italie, Norvège, Pays-Bas, Pologne, Portugal, République tchèque, Royaume-Uni, Slovaquie, Suède et Suisse. La Roumanie a le statut de candidat à l’adhésion. La Serbie est État membre associé en phase préalable à l’adhésion. Les États-Unis d’Amérique, la Fédération de Russie, l’Inde, le Japon, la Turquie, la Commission européenne et l’UNESCO ont le statut d'observateur.

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