L’expérience CLOUD du CERN

Y a-t-il un lien entre les rayons cosmiques et la formation des nuages ? Une expérience au CERN étudie un lien possible avec une chambre à brouillard.

http://home.web.cern.ch/fr/about/experiments/cloud

L’expérience CLOUD (Rayons cosmiques produisant des gouttelettes extérieures) exploite une chambre à brouillard pour étudier un lien possible entre les rayons cosmiques galactiques et la formation des nuages. Elle est alimentée par le Synchrotron à protons du CERN, qui est ainsi le premier accélérateur de particules utilisé pour étudier la science des climats et de l’atmosphère. Les résultats pourraient considérablement modifier notre compréhension des nuages et du climat.

Les rayons cosmiques sont des particules chargées qui bombardent l’atmosphère de la Terre depuis l’espace extra-atmosphérique. Des études suggèrent qu’ils pourraient avoir une influence sur l’épaisseur de la couverture nuageuse de par la formation de nouveaux aérosols (minuscules particules en suspension dans l’air qui constituent le germe des gouttelettes des nuages).

Ces études sont étayées par des mesures prises par satellite révélant la possibilité d’une corrélation entre l’intensité des rayons cosmiques et l’épaisseur de la couverture nuageuse à basse altitude. Les nuages exercent une forte influence sur l’équilibre énergétique de la Terre; des changements d’à peine quelques pour-cent ont une incidence considérable sur le climat. Comprendre la microphysique sous-jacente dans des conditions de laboratoire contrôlées pourrait contribuer à révéler la relation entre les rayons cosmiques et les nuages.

L’expérience CLOUD est menée par une équipe interdisciplinaire de scientifiques provenant de 18 instituts de 9 pays. Elle comprend des physiciens de l’atmosphère, des physiciens du Soleil, ainsi que des physiciens des rayons cosmiques et des particules. Le PS constitue une source artificielle de rayons cosmiques qui permet de simuler les conditions naturelles. Un faisceau de particules est envoyé dans une chambre de réaction ; ses effets sur la production d’aérosols sont ensuite analysés.

La phase initiale de l’expérience fait intervenir un détecteur prototype, mais l’expérience CLOUD complète comprendra une chambre à brouillard et une chambre de réaction de dernière génération, équipées d’une vaste palette d’équipements extérieurs pour contrôler et analyser leur contenu. Les conditions de température et de pression de n’importe quel endroit de l’atmosphère peuvent être recréées dans les chambres et toutes les conditions expérimentales peuvent être contrôlées et mesurées, y compris l’intensité des « rayons cosmiques » et le contenu des chambres.

Communiqué de presse

http://home.web.cern.ch/fr/about/updates/2014/05/cern-experiment-sheds-new-light-cloud-formation

Dans un article publié aujourd’hui en libre accès dans la revue ScienceExternal Links icon, l’expérience CLOUD , au CERN , 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, 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.
Jasper Kirkby, porte-parole de CLOUD

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.
CLOUD,Jasper Kirkby

L’expérience CLOUD en octobre 2013 (Image: CERN)

« 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.

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