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Comment les particules fines dans l’atmosphère intensifient-elles les orages?

Un orage au-dessus de l'océan.

Les aérosols présents dans l'atmosphère génèrent des orages plus fréquents.

Photo : iStock

Radio-Canada

L’un des mécanismes par lesquels les particules fines en suspension dans l'atmosphère génèrent des orages plus fréquents a été expliqué par des scientifiques américains.

Depuis des décennies, les observations de l'atmosphère montrent que les orages sont souvent plus intenses dans les zones où de fortes concentrations d'aérosols sont présentes.

Par exemple, les éclairs sont plus fréquents le long des routes maritimes empruntées par les bateaux-cargos qui rejettent des particules dans l'air qu’au-dessus de l'océan environnant.

Sur la terre ferme, les orages sont également plus intenses au-dessus des endroits où la quantité d’aérosols est plus élevée en raison d’activités humaines ou de sources naturelles.

Cette association restait toutefois mal comprise.

Repères

  • Les aérosols sont des particules en suspension dans l'air.
  • Ils proviennent de la pollution humaine, comme des tuyaux d'échappement des voitures ou des usines et des navires.
  • Ils peuvent aussi provenir de phénomènes naturels tels que les éruptions volcaniques, les feux de forêt ou encore des tempêtes de sable.

Les travaux de Tim Cronin et de ses collègues du MIT (Massachusetts Institute of Technology) apportent une explication au phénomène lorsqu’il se produit en région tropicale. En utilisant des simulations de la dynamique des nuages, les scientifiques ont découvert que de fortes concentrations d'aérosols intensifient l'activité orageuse en augmentant l'humidité de l'air entourant les nuages.

Ce nouveau lien entre les aérosols et les nuages a été nommé mécanisme d'entraînement de l'humidité (humidity entrainment).

Selon les chercheurs, il pourra être intégré aux modèles météorologiques et climatiques actuels et permettre de mieux prévoir comment l'activité orageuse d'une région peut varier en fonction de l'évolution des niveaux d'aérosols.

Il est possible qu'en diminuant la pollution, certains endroits connaissent moins de tempêtes, explique Tim Cronin dans un communiqué publié par le MIT.

Dans l'ensemble, cela nous permet de mieux comprendre l’empreinte humaine sur le climat alors que nous ne l’avions pas vraiment cerné dans le passé.

Une citation de :Tim Cronin

En détail

Dans l'atmosphère, les aérosols peuvent favoriser la formation des nuages. Les particules en suspension servent de surfaces dans l'air sur lesquelles la vapeur d'eau environnante peut se condenser pour ainsi former des gouttelettes individuelles qui s'accrochent ensemble pour former un nuage. Ces gouttelettes peuvent entrer en collision et fusionner pour former des gouttelettes plus grosses qui finissent par tomber sous forme de pluie.

Toutefois, lorsque les aérosols sont très concentrés, les nombreuses petites particules forment des gouttelettes de nuages tout aussi minuscules qui ne fusionnent pas facilement, expliquent les chercheurs.

La manière exacte dont ces nuages chargés d'aérosols génèrent des orages restait donc à expliquer.

Plusieurs scientifiques ont proposé des théories que les chercheurs du MIT ont décidé de mettre à l’épreuve à l'aide de simulations de nuages à haute résolution.

L’équipe a utilisé un modèle cubique simulant la dynamique des nuages dans un volume représentant l'atmosphère terrestre dans une zone de 128 kilomètres carrés au-dessus d'un océan tropical.

Ce cube a été divisé à l’aide d’une grille de façon à ce que les scientifiques puissent observer comment des paramètres (comme l'humidité relative) changent dans les différentes cellules de la grille en fonction de la modification de certaines conditions.

L'équipe a ainsi pu simuler les effets de l'augmentation des concentrations d'aérosols dans les nuages en augmentant la concentration des gouttelettes d'eau dans ceux-ci.

M. Cronin et ses collègues ont ensuite supprimé les processus qui, pense-t-on, sont à l'origine de deux mécanismes proposés précédemment afin de vérifier si les orages grossissaient encore lorsqu'ils augmentaient les concentrations d'aérosols.

Lorsque ces processus ont été interrompus, la simulation a quand même généré des orages plus intenses lorsque les concentrations d'aérosols étaient 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, explique Tristan Abbott, l'un des auteurs principaux de l'étude.

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

Une citation de :Tim Cronin

L'équipe a ensuite consulté la littérature scientifique concernant la dynamique des nuages pour trouver des travaux qui mettent en évidence une relation entre la température des nuages et l'humidité de l'air ambiant. Ces études ont montré que lorsque les nuages s'élèvent, ils se mélangent à l'air qui les entoure, évaporant une partie de leur humidité et refroidissant ainsi les nuages eux-mêmes.

Ainsi, si l'air ambiant est sec, il peut absorber une plus grande partie de l'humidité d'un nuage et faire baisser sa température interne, de sorte que le nuage, chargé d'air froid, est plus lent à s'élever dans l'atmosphère. En revanche, si l'air ambiant est relativement humide, le nuage sera plus chaud à mesure qu'il s'évaporera et s'élèvera plus rapidement, générant un courant d'air ascendant qui pourrait se transformer en orage.

Les chercheurs se sont alors demandé si ce mécanisme pouvait influer sur l'effet des aérosols sur les orages. Si un nuage contient de nombreuses particules d'aérosols qui suppriment la pluie, il pourrait être capable de faire évaporer plus d'eau vers son environnement. En retour, cela pourrait augmenter l'humidité de l'air ambiant, et créer ainsi un environnement plus favorable à la formation d'orages.

Cette chaîne d'événements pourrait donc expliquer le lien entre les aérosols et l'activité orageuse, pensent les chercheurs.

Ces derniers ont testé cette théorie 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 à l'intérieur et autour des nuages, et en augmentant la concentration d'aérosols dans la simulation.

Les concentrations qu'ils ont fixées allaient de conditions de faibles aérosols similaires à celles des régions éloignées au-dessus de l'océan, à des environnements de forte concentration d'aérosols similaires à l'air relativement pollué près des zones urbaines, notent-ils.

Ils ont ainsi constaté que les nuages de basse altitude avec de fortes concentrations d'aérosols étaient moins susceptibles de tomber sous forme de pluie. Au lieu de cela, ces nuages faisaient évaporer de l'eau vers leur environnement, créant une couche d'air humide qui permettait à l'air de monter rapidement dans l'atmosphère sous forme de forts courants ascendants qui provoquaient des tempêtes.

Une fois que vous avez établi cette couche humide relativement basse dans l'atmosphère, vous avez une bulle d'air chaud et humide qui peut agir comme une graine pour un orage, dit Tristan Abbott.

Cette bulle aura plus de facilité à monter à des altitudes de 10 à 15 kilomètres, ce qui est la profondeur dont les nuages ont besoin pour se développer et devenir des orages.

Une citation de :Tim Cronin

Ce mécanisme d'entraînement de l'humidité, dans lequel les nuages chargés d'aérosols se mélangent à l'air ambiant et en modifient l'humidité, 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.

Le détail de ces travaux est publié dans la revue Science (Nouvelle fenêtre) (en anglais).

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