1Les nuages jouent un double jeu dans le bilan radiatif terrestre. Ils contribuent environ à la moitié de l’albédo* terrestre (-47 W/m²), mais aussi à une part significative de l’effet de serre* (+29 W/m²). L’importance de la différence entre ces deux effets antagonistes (-18 W/m²) est à comparer à la contribution attendue d’un doublement du CO₂, (de l’ordre de +4 W/m²). Des petits changements des propriétés radiatives des nuages pourraient donc avoir un impact significatif sur l’évolution du climat.

Impact sur les propriétés optiques des nuages et la formation des précipitations

2Les gouttelettes de nuage se forment à partir de particules d’aérosol dans l’atmosphère qu’on appelle les noyaux de condensation nuageuse. La concentration volumique de ces noyaux est très variable géographiquement : elle peut aller de moins de 10 cm^-3 au-dessus de l’océan lointain à plusieurs milliers de particules par cm³ au-dessus d’une zone industrielle. Dans les nuages convectifs, la concentration des gouttelettes suit sensiblement celle des noyaux de condensation nuageuse et elle augmente donc avec le niveau de pollution de la masse d’air. La physique nous enseigne qu’à volume d’eau condensée identique, la section totale des gouttelettes, qui détermine leur capacité à diffuser la lumière solaire, augmente comme la racine cubique de leur concentration en nombre. L’albédo d’un nuage pollué est donc plus grand que celui d’un nuage naturel morphologiquement identique. Par ailleurs, la pluie se forme dans les nuages lorsque les gouttelettes fusionnent et atteignent une taille suffisante pour précipiter, supérieure à la cinquantaine de µm. Par conséquent, les gouttelettes d’un nuage pollué, initialement très petites parce que plus nombreuses, auront plus de difficulté à atteindre cette taille critique que les quelques grosses gouttelettes formées dans un nuage naturel.

Impact sur la couverture nuageuse et le bilan radiatif

3Si l’impact de l’aérosol sur les propriétés optiques des nuages et sur le déclenchement des précipitations a été largement validé par les observations depuis un demi-siècle, il n’a pas encore été possible d’observer un impact sur la contribution globale des nuages au bilan radiatif terrestre, c’est-à-dire sur leur couverture globale et leur distribution verticale. Cette question est à l’origine d’un débat très vif dans la communauté de physique des nuages et deux ouvrages de synthèse lui ont été récemment dédiés, le premier commandité par l’Organisation Météorologique Mondiale (Levin et Cotton, 2009) et le second par le Strüngmann Forum en Allemagne (Heintzenberg et Charlson, 2009).

4La problématique est assez proche de celle de la modification du temps intentionnelle. Or, plus de cinquante années d’expériences d’ensemencement des nuages n’ont pas permis de déterminer le signe de cet effet, augmentation ou diminution de la pluie ou de la grêle. De très nombreuses observations spatiales ont, cependant, révélé des corrélations étroites entre aérosols et nuages, pour la plupart interprétées comme le signe d’un impact de l’aérosol sur les nuages. Cependant, chaleur et humidité (qui gouvernent la couverture nuageuse) d’une part, et aérosol d’autre part, sont des traceurs de la circulation atmosphérique. Ils sont donc naturellement corrélés. Par ailleurs, les nuages impactent fortement les aérosols via la convection qui les transporte en altitude et la pluie qui les élimine. Enfin, la sensibilité de la couverture nuageuse aux facteurs météorologiques est plus de deux ordres de grandeurs supérieure à leur sensibilité à l’aérosol. C’est pourquoi, il est difficile d’attribuer les changements observés à l’aérosol quand des variations non mesurables aujourd’hui des facteurs météorologiques (chaleur et humidité) suffiraient à les expliquer.

Processus de couplage

5Le nuage est un système dans lequel thermodynamique et aérosols sont très étroitement couplés à travers de nombreux processus qui couvrent l’échelle millimétrique et la seconde pour les processus d’activation de l’aérosol en hydrométéore*, des km et heures pour le cycle de vie d’un nuage (voire centaines de km et jours pour les systèmes nuageux), et l’échelle globale et saisonnière pour le cycle hydrologique. En 1989, Albrecht avait formulé cette hypothèse très intuitive : l’aérosol anthropique est à l’origine d’une augmentation de la concentration des gouttelettes ; pour une même quantité d’eau condensée, des gouttelettes plus nombreuses sont plus petites et prendront plus de temps pour grossir jusqu’à devenir des gouttes de précipitation ; or, c’est la précipitation qui élimine l’eau condensée des nuages ; un nuage pollué, plus faiblement précipitant qu’un nuage naturel, aura donc une extension spatiale et une durée de vie plus longues qu’un nuage naturel croissant dans un environnement météorologique identique par ailleurs. Or, les modèles à hautes résolutions spatiale (10 m) et temporelle (sec) montrent aujourd’hui que c’est l’inverse qui se produit. Ce résultat s’explique par des processus de couplage très sensibles entre la dimension des gouttelettes, leur sédimentation et l’évaporation des précipitations sous la base du nuage.

Perspectives

6Aujourd’hui, les propriétés des aérosols et leurs interactions avec la microphysique nuageuse sont bien identifiées, du moins pour la phase liquide. Beaucoup d’inconnues demeurent pour les phases glace et mixte. Par ailleurs, aucun des modèles disponibles ne permet de couvrir la gamme d’échelles nécessaire pour traiter explicitement de l’activation de l’aérosol jusqu’à l’impact radiatif global des nuages. On sait cependant que l’ensemencement des nuages n’est pas aussi efficace pour augmenter la pluie et supprimer la grêle que ce qu’on anticipait lorsque ces travaux ont débuté dans les années 1950. Il en est probablement de même pour l’effet de l’aérosol anthropique sur le climat via les nuages, comparé à ses effets radiatifs directs avérés.

7Le projet CLOUD* conduit au CERN* se propose, grâce à des expériences de simulation en laboratoire, de quantifier l’impact des rayons cosmiques sur la couverture nuageuse, dont l’observation spatiale suggère qu’elle est corrélée avec le cycle solaire et les flux de rayons cosmiques associés. Il permettra de mieux comprendre les liens entre rayons cosmiques et particules d’aérosol. En revanche, le verrou demeure quant à l’effet des modifications induites de la microphysique nuageuse sur la couverture globale et le bilan radiatif des nuages.

8La formation des particules d’aérosol dans l’atmosphère et leurs interactions avec la microphysique nuageuse sont donc des domaines qui ont fait de grands progrès. Aujourd’hui, le challenge est de découvrir comment des modifications des propriétés microphysiques et optiques des nuages influent sur leur cycle de vie, leur impact radiatif global et, à terme, le cycle hydrologique. Avec l’avènement des modèles météorologiques à résolution kilométrique, cette question pourrait être résolue dans les prochaines années.