Les nuages ​​pourraient transformer notre compréhension du changement climatique

Qu’est-ce qu’un cloud? À la plus petite échelle, c’est simple: juste de l’humidité condensée sur une minuscule particule – un grain de poussière, un grain de pollen, un brouillard salin de l’océan ou un grain de suie.

Mais dès que plus d’une de ces gouttelettes de nuage se réunissent, les choses deviennent rapidement chaotiques. Les scientifiques décrivent les nuages ​​comme un phénomène émergent, où des éléments constitutifs plus petits donnent lieu à des modèles sophistiqués et auto-organisés, comme un banc de poissons nageant ensemble ou un murmuration d’étourneaux.

Ce chaos est la raison pour laquelle les nuages ​​sont si difficiles à prévoir. Mais les conséquences de cette incapacité à voir à travers les nuages ​​vont au-delà du soleil et de l’ombre; cela obscurcit également notre compréhension du changement climatique.

«La façon dont les nuages ​​changent détermine la chaleur qu’ils dégagent en réponse à une certaine quantité de gaz à effet de serre», a déclaré Angeline Pendergrass, professeure adjointe de science atmosphérique à l’Université Cornell. Et les enjeux de la façon dont cette relation se déroule sont élevés.

Le fait qu’une zone donnée connaisse plus de précipitations, de sécheresse, de chauffage ou de refroidissement dans les années à venir dépend des types de nuages ​​présents. Et pour le moment, les scientifiques ont encore du mal à comprendre comment cela va se dérouler. Cela est en partie dû à un manque de données sur la myriade de variétés de nuages ​​qui existent, une partie est due à un manque de puissance de calcul et une partie est due à un historique irrégulier.

Dans cet épisode du podcast inexplicable, nous expliquons aux chercheurs pourquoi il est si difficile de comprendre ces attributs météorologiques omniprésents, pourquoi il est si facile de sous-estimer leur puissance et pourquoi il vaut la peine de prendre un moment pour apprécier leurs expressions dans le ciel.

Alors que la planète atteint des concentrations record de dioxyde de carbone dans l’atmosphère, apportant des températures plus élevées et des conditions météorologiques extrêmes plus dangereuses, les scientifiques utilisent tous les outils de leur boîte – ballons météorologiques, satellites, simulations, avions et même journaux de bord – pour essayer de voir à travers les nuages ​​et dans le futur du monde tel que nous le connaissons.

Pourquoi les nuages ​​obscurcissent notre image du changement climatique

La plus grande source d’incertitude dans notre compréhension de l’avenir sous le changement climatique est ce que les humains feront.

Après cela, ce sont les nuages.

Le mécanisme de base du changement climatique est assez simple: des gaz piégeant la chaleur tels que le dioxyde de carbone sont émis dans l’atmosphère lorsque les humains brûlent des combustibles fossiles et endommagent les réserves naturelles de carbone. Plus les gaz à effet de serre s’accumulent dans l’atmosphère, plus la planète se réchauffe.

Ainsi, combien de personnes travaillent réellement pour réduire les combustibles fossiles et réduire les émissions de gaz à effet de serre influenceront radicalement le réchauffement de la Terre au cours du siècle à venir.

Bien sûr, le changement climatique ne se résume pas à un réchauffement de la planète de quelques degrés. Toutes les régions du monde ne se réchauffent pas au même rythme, et un changement de la température moyenne a d’importants effets d’entraînement, comme la fonte des glaces, l’élévation du niveau de la mer et les événements météorologiques poussés à des extrêmes.

Ces effets sont ce qui finit par être les aspects les plus importants du changement climatique pour les humains, modifiant l’endroit où nous pouvons vivre, la quantité de nourriture que nous pouvons cultiver et la question de savoir si nous pouvons continuer à payer nos modes de vie.

Les nuages ​​sont essentiels à tous ces impacts, mais leur prise en compte peut être compliquée et déroutante.

Ils se comportent comme des unités distinctes aux propriétés uniques, s’étalant en fines couches ou s’entassant en tas, montant ou descendant dans le ciel. Et en ce qui concerne le climat, l’un des attributs les plus importants des nuages ​​est qu’ils peuvent soit refroidir une zone, soit emprisonner la chaleur.

«La façon dont ils se comportent dépend de l’endroit où ils se trouvent dans l’atmosphère», a déclaré Scott Collis, un scientifique atmosphérique au Laboratoire national d’Argonne. Les cumulus gonflés à basse altitude, par exemple, ont tendance à renvoyer la lumière du soleil dans l’espace, augmentant l’albédo, ou la réflectivité, de la Terre. Cela a un effet rafraîchissant. Les cirrus vaporeux de haute altitude, quant à eux, rebondissent le rayonnement infrarouge provenant du sol, réchauffant la surface. Et de nombreux nuages ​​peuvent faire les deux, à des degrés divers.

Maintenant, la planète entière se réchauffe et pour chaque degré Celsius l’air se réchauffe, il peut absorber environ 7% d’eau en plus. Plus d’eau dans l’air pourrait conduire à plus de nuages, mais lesquels? Les rétroactions sont un autre effet à prendre en compte. Les nuages ​​piégeurs de chaleur pourraient amplifier le réchauffement causé par les gaz à effet de serre, entraînant une plus grande évaporation de l’eau et créant encore plus de ces nuages.

Et les effets ne sont pas uniformes à travers le monde; certains endroits peuvent voir des nuages ​​beaucoup plus réfléchissants tandis que d’autres peuvent connaître plus de nuages ​​qui se réchauffent, et d’autres peuvent encore voir plus ou moins des deux. La façon dont ces effets s’aligneront changera la façon dont la planète se réchauffera dans les décennies à venir et ses conséquences pratiques.

«Si nous surestimons le degré auquel les nuages ​​refroidissent la planète en réponse au forçage des gaz à effet de serre, alors nous sous-estimons à quel point il se réchauffe en réponse à certaines quantités de gaz à effet de serre», a déclaré Pendergrass.

Il est difficile de le comprendre car les scientifiques n’ont pu que récemment affiner leur image des nuages. Les images radar et satellite au sol ont aidé les chercheurs à mieux comprendre les vastes modèles de nuages ​​à travers la planète, tandis que les ballons météorologiques et les avions ont donné des images étroites mais détaillées de leur fonctionnement interne.

Mais bon nombre de ces techniques n’ont été déployées qu’au cours du dernier demi-siècle. Auparavant, les observations de nuages ​​étaient beaucoup plus grossières. Et contrairement aux changements historiques de température et de précipitations, qui peuvent laisser des indices dans les sédiments, les carottes de glace, les anneaux d’arbres et les roches datant de plusieurs millénaires, les nuages ​​ont une empreinte légère. Il n’y a pas de fossiles de nuages.

Donc, si les scientifiques veulent comprendre à quoi ressemblaient les nuages ​​avant la révolution industrielle – avant que les humains ne commencent à pomper des gaz à effet de serre et la pollution dans le ciel en quantités gigantesques – ils doivent examiner des observations historiques: journaux météorologiques, enregistrements nautiques, et même art et littérature. Cependant, avec une image aussi floue du passé, il est plus difficile de voir l’avenir.

Les nuages ​​peuvent être trop compliqués pour les ordinateurs

Les observations des nuages ​​sont ensuite introduites dans les modèles climatiques. Mais les modèles informatiques ont également du mal à comprendre les nuages. «La grande question pour les modèles climatiques est de savoir quelles combinaisons vont aller de l’avant?» Dit Collis.

Il existe deux approches générales des nuages ​​dans les modèles climatiques: de haut en bas et de bas en haut. Les simulations descendantes peuvent modéliser la planète entière et appliquer des forçages, comme différentes concentrations de dioxyde de carbone, et voir ce qui se passe au fil du temps, en zoomant sur différentes régions.

D’autres simulations commencent au niveau microscopique des gouttelettes et des aérosols, puis se développent. Le problème est que les nuages ​​se situent juste entre ces deux approches – trop petits et éphémères pour être capturés dans la plupart des simulations climatiques mondiales et trop compliqués à assembler pour les ordinateurs à partir de leurs éléments constitutifs. Les nuages ​​ont donc tendance à être représentés de manière trop simplifiée dans les modèles informatiques.

«Nous devons comprendre ce qui se passe sur ces petites et minuscules échelles que vous avez besoin d’un microscope pour voir, jusqu’à l’échelle de la planète entière», a déclaré Pendergrass. «Toutes ces choses sont pertinentes pour le problème. Donc, essayer de créer un modèle informatique qui fait cela n’est pas réalisable sur le plan informatique de quelque manière que ce soit. »

Malgré les défis, les scientifiques progressent et comblent les incertitudes sur l’avenir de la planète.

Par exemple, les chercheurs ont publié l’année dernière une nouvelle estimation des limites de la sensibilité climatique pour la première fois depuis des décennies. La sensibilité climatique fait référence à la quantité de réchauffement attendu de la planète en réponse à un doublement des concentrations de dioxyde de carbone dans l’atmosphère par rapport aux niveaux préindustriels. C’est une métrique critique utilisée pour affiner les modèles de changement climatique. Une meilleure compréhension des nuages ​​et de leur rétroaction dans le système climatique a été l’une des principales raisons pour lesquelles ils ont pu affiner leurs prévisions.

Mais les scientifiques n’ont pas des décennies pour proposer leur prochaine série de raffinements, et le rythme actuel des progrès dans le domaine est atrocement lent. «Nous allons assister à un réchauffement climatique substantiel avant de pouvoir modéliser les nuages ​​à l’échelle mondiale», a déclaré Pendergrass.

En attendant, les scientifiques rassemblent minutieusement des archives du passé, des observations du présent et des modèles du futur pour obtenir une image plus précise du ciel nuageux.