Aller de l'avant dans les nuages

Alors que le crépuscule s'installe sur Cambridge par une soirée d'hiver, Dan Cziczo s'arrête un instant pour admirer une vue spectaculaire. C'est le coucher du soleil, et juste au-dessus de l'horizon, des traînées de rouge et d'orange se transforment en bandes plus profondes de violet et de bleu alors que des nuages ​​de toutes sortes s'étendent dans le ciel qui s'assombrit. Des bouffées de boules de coton de cumulus se mélangent à une couche recouverte de stratus et à de minces fils ressemblant à des plumes de cirrus au-dessus de la tête. Pour quiconque prend une pause du travail pour regarder vers l'ouest le long de la rivière Charles, la vue est époustouflante.

Pour Cziczo, un scientifique de l'atmosphère de 42 ans au MIT, le point de vue, d'une certaine manière, est son travail. Cziczo étudie la formation des nuages, et il considère les nuages, en particulier les cirrus, comme la clé pour répondre à une question cruciale : exactement de combien la Terre se réchauffera-t-elle dans un avenir proche ?

La meilleure réponse que les scientifiques ont trouvée jusqu'à présent est encore incertaine - entre 1 et 5 °C, selon la quantité de gaz à effet de serre que les humains ajoutent à l'atmosphère. Dans certaines parties du monde, de telles augmentations pourraient signifier une montée des mers, des tempêtes plus violentes et des incendies et des inondations dommageables. Avec chaque degré de réchauffement, les scientifiques prédisent jusqu'à 15 pour cent de réduction des rendements des cultures, 15 pour cent de diminution de la superficie couverte par la banquise arctique, 10 pour cent d'augmentation des précipitations pendant les tempêtes les plus violentes et 400 pour cent d'augmentation des superficies brûlées par les incendies de forêt dans le ouest des États-Unis. Cela signifie que la différence entre un et cinq degrés de réchauffement est assez importante.

En 2007, dans un rapport publié par le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat, lauréat du prix Nobel, des scientifiques du monde entier ont conclu qu'une grande partie de l'incertitude des projections climatiques était liée aux nuages. Les scientifiques ont noté que si les nuages ​​peuvent empêcher le rayonnement solaire d'entrer dans l'atmosphère, les conditions dans lesquelles ils se forment et la mesure dans laquelle ils refroidissent réellement la planète en réfléchissant ce rayonnement sont très mal comprises. Pour compliquer encore les choses, une Terre plus chaude contient plus d'humidité, ce qui pourrait augmenter le volume total des nuages.

Pour réduire l'incertitude des projections climatiques, Cziczo et son groupe de recherche au MIT étudient des sujets tels que les aérosols ou les particules en suspension dans l'air, qui agissent comme des graines qui aident à la formation des nuages. Lorsque des particules telles que la poussière flottent dans l'atmosphère, elles fournissent une surface sur laquelle la vapeur d'eau peut se condenser ou geler, formant une fine brume qui, à distance, peut apparaître gonflée, en couches ou vaporeuse, selon la température et l'humidité relative de la région.

Différentes particules et nuages ​​agissent différemment, et comprendre cet équilibre est vraiment la façon dont nous allons augmenter la certitude [des projections climatiques], dit Cziczo. L'épingler pour dire : « Est-ce que nous obtenons un ou trois degrés de réchauffement ? » C'est le genre de chose que nous essayons de comprendre.

Voir à travers les cirrus
Ce soir, Cziczo aperçoit le nuage depuis un perchoir enviable : le toit du Cecil and Ida Green Building du MIT, qui compte 21 étages, le plus haut bâtiment de Cambridge.

Le toit a longtemps été un site idéal pour l'étude atmosphérique, abritant des instruments qui mesurent la vitesse du vent, l'humidité relative et la température. À l'occasion, Cziczo, professeur agrégé au Département des sciences de la Terre, de l'atmosphère et des planètes, amènera ses étudiants ici pour effectuer des lectures d'instruments, en utilisant les données pour déterminer si et où des nuages ​​se formeront.

Cette fois, cependant, il est juste là pour la vue.

Si vous regardez à travers le coucher de soleil, vous pouvez voir les nuages ​​​​plus élevés, le genre de nuages ​​vaporeux, dit Cziczo en pointant les cirrus au loin. Ils fabriquent ces filaments cool… leur nom grec a à voir avec le crin de cheval ou les queues de jument, et ce sont ceux que nous avons étudiés dernièrement, en raison de leur importance dans le climat.

Les cirrus se forment de quatre à 12 kilomètres au-dessus de la surface de la Terre dans la partie supérieure de la troposphère, la couche la plus basse de l'atmosphère. À de telles altitudes, la vapeur d'eau peut geler autour des particules, formant des cristaux de glace. Les nuages ​​de glace qui en résultent, comme les cirrus sont également connus, sont généralement la première couche nuageuse que la lumière du soleil rencontre lorsqu'elle remonte à la surface. Les cristaux de glace agissent comme de minuscules réflecteurs qui diffusent la lumière du soleil. On pense que les nuages ​​en général peuvent refléter suffisamment de lumière solaire dans l'espace pour compenser entre la moitié et les trois quarts du réchauffement causé par les gaz à effet de serre tels que le dioxyde de carbone. L'impact net des cirrus, cependant, n'est pas clair : alors qu'ils protègent la planète de la lumière solaire entrante, ils piègent également le rayonnement qui tente de s'échapper de sa surface.

Pour savoir exactement quel rôle jouent les cirrus, dit Cziczo, il est important de comprendre comment ils se forment, en particulier quelles particules, ou aérosols, les ensemencent naturellement.

Au coucher du soleil, il se dirige vers son laboratoire au 13e étage, où deux tubes de verre, partiellement enfermés dans un boîtier métallique, créent des nuages. L'installation, qu'il a aidé à construire, s'appelle une chambre à brouillard. En ajustant la température et l'humidité relative dans la chambre, les chercheurs peuvent créer des conditions parfaites pour la formation de gouttelettes de nuages ​​ou de cristaux de glace. Le seul ingrédient manquant est une graine idéale sur laquelle des nuages ​​peuvent se former.

Tamiser pour les graines
Cziczo a testé divers aérosols pour voir lequel formera le plus facilement des nuages ​​dans la chambre. En introduisant ces différents aérosols dans la chambre alors qu'il imite les conditions météorologiques dans certaines parties du monde, il espère déterminer quelles particules sont à l'origine de la formation de nuages ​​dans ces régions. Pour démontrer, il sort un petit pot de poudre grise, poussière minérale collectée dans le Wisconsin.

Faisons une tempête de poussière, dit-il, et agite le pot ouvert devant deux buses, qui aspirent de l'air dans chaque tube de verre. Les tubes sont trop petits pour générer des nuages ​​visibles, c'est pourquoi Cziczo utilise un système de lasers pour mesurer si la vapeur d'eau s'est fondue en gouttelettes suffisamment grosses pour être considérées comme des particules de nuage.

Ensuite, Cziczo sèche les gouttelettes du nuage en les envoyant à travers un petit compartiment rempli de déshydratants similaires à ceux contenus dans les paquets trouvés dans les boîtes à chaussures. Lui et ses collègues peuvent ensuite les analyser pour déterminer la composition exacte de la graine de nuage.

La chambre à brouillard est suffisamment petite pour être emballée et transportée dans n'importe quelle partie du monde pour échantillonner directement dans l'atmosphère d'une région, ce qui, selon Cziczo, est un gros avantage. Les scientifiques peuvent découvrir que même si un certain aérosol est excellent pour ensemencer des nuages ​​en laboratoire, cet aérosol ne se trouve pas à l'altitude où il pourrait former des nuages ​​dans la nature. Il est généralement admis que le matériel biologique est une substance fantastique pour former des nuages ​​de glace, dit-il, notant que certains types de pollen génèrent remarquablement bien des nuages ​​dans sa chambre. Mais quand vous allez sur le terrain, vous vous rendez compte qu'il n'est tout simplement pas présent dans la haute troposphère en grand nombre, donc il ne peut pas avoir un effet important sur les nuages. Si vous venez d'échantillonner sur le terrain, vous pourriez vous tromper en pensant que c'est important. Il a donc tenu à inclure à la fois des études sur le terrain et des travaux de laboratoire dans les recherches de son groupe.

Assis dans des nuages ​​de glace
Au cours des 15 dernières années, Cziczo a visité les sommets des montagnes à la recherche des types d'aérosols susceptibles d'être trouvés dans la haute troposphère. En tant que postdoctorant à l'Université du Colorado et à la National Oceanic and Atmospheric Administration, il s'est rendu au Storm Peak Laboratory, dans le centre-nord du Colorado, où il a échantillonné des nuages ​​à haute altitude avec une première version de la chambre à nuages. Cette expérience l'a préparé à un poste de chercheur et d'enseignant à l'Ecole Polytechnique Fédérale de Zurich, puis à un point culminant de sa carrière : un passage à échantillonner des nuages ​​à l'Observatoire du Sphinx, une station de recherche à distance construite le long de la colonne vertébrale du Alpes bernoises. Nommé pour son architecture semblable à un sphinx, il s'agit de l'un des plus hauts observatoires terrestres au monde, à plus de 11 000 pieds au-dessus du niveau de la mer. À cette altitude, des nuages ​​en phase mixte, similaires aux cirrus, peuvent couvrir les sommets.

Le site, qui a été appelé le Top of Europe, est une attraction touristique de jour, lorsque les gens voyagent en train, alimentés à l'électricité afin de ne pas altérer les mesures des scientifiques avec les gaz d'échappement. La nuit, cependant, les touristes décollent et les chercheurs se couchent.

La première nuit, personne ne dort, se souvient Cziczo. Vous avez mal à la tête et vous pouvez sentir votre cœur battre. Il faut quelques jours pour s'acclimater, mais après cela, c'est incroyable… parfois, vous êtes en fait assis dans des nuages ​​​​de glace.

Après son séjour en Suisse, Cziczo a poursuivi son travail aux États-Unis au Pacific Northwest National Laboratory. En 2011, il a déménagé dans l'Est pour rejoindre la faculté du MIT.

En mars 2011, lui et ses étudiants ont emmené la chambre à brouillard au Johnson Space Flight Center de Houston, où ils l'ont montée sur le nez d'un vieux bombardier B-57. L'avion, qui a volé dans les années 1950 lors de missions de reconnaissance, a depuis été reconverti en avion de recherche et est maintenant utilisé pour des projets tels qu'une campagne de terrain de la NASA appelée l'expérience MACPEX (Mid-latitude Airborne Cirrus Properties Experiment). L'avion vole jusqu'à 63 000 pieds, ce qui le rend parfait pour l'échantillonnage des cirrus, bien qu'il puisse être difficile de prédire quand ils pourraient apparaître.

En six semaines, l'équipe a collecté des échantillons de nuages ​​sur le golfe du Mexique et le désert du sud-ouest. L'analyse de leur composition a montré que la poussière minérale, telle que le sable soulevé par une tempête du désert, représentait environ 60% des aérosols dans ces nuages. Les chercheurs ont également découvert qu'entre 8 et 25 pour cent des particules de poussière formant des nuages ​​contenaient du plomb. Ce qu'ils n'ont pas trouvé était peut-être plus surprenant : du matériel biologique comme du pollen et des spores, ou du carbone émis par les cheminées. Alors que les chercheurs ont vu du carbone et du pollen former facilement des nuages ​​en laboratoire, ce type d'aérosol représentait moins de 1% des particules de cirrus dans les découvertes de Cziczo.

Les chercheurs espèrent que de telles expériences aideront à déterminer exactement quels aérosols forment des cirrus et, plus important encore, si ces aérosols sont libérés par l'activité humaine. Par exemple, Cziczo dit que bien que la poussière minérale soit une substance naturelle, constituée en grande partie de saleté et de sable soufflé de la surface de la Terre, les humains en ont considérablement modifié la quantité dans l'atmosphère.

Lorsque vous modifiez l'utilisation des terres, lorsque vous vous débarrassez des forêts pour créer des terres cultivées, ou que vous labourez sous les cultures… vous perturbez la poussière minérale, dit-il. C'est donc une particule naturelle, mais il y en a plus à cause des activités humaines. Et on dirait que c'est l'une de ces choses qui forme des nuages ​​de glace. La poussière nuageuse contenant du plomb que l'équipe a trouvée provenait probablement également de l'activité humaine : des sources telles que les tuyaux d'échappement des avions, les centrales électriques au charbon et l'essence au plomb qui n'ont été progressivement éliminées dans le monde qu'au milieu des années 90. Bien qu'il ne préconise certainement pas une pollution supplémentaire, Cziczo reconnaît que le réchauffement climatique serait bien pire s'il n'y avait pas eu l'ajout humain de particules dans l'atmosphère.

Dans le passé, les groupes d'évaluation du climat ne se sont pas vraiment demandé si l'activité anthropique pouvait affecter les nuages ​​​​de glace, même s'ils sont connus pour être importants dans le climat, explique Jon Abbatt, professeur de chimie atmosphérique à l'Université de Toronto. C'est la particularité du travail de Dan. Il a la capacité d'évaluer s'il existe des signatures anthropiques dans les nuages ​​de glace. C'est le point de départ pour essayer de faire une évaluation de la formation de glace en ce qui concerne le changement climatique.

Mesurer ensemble
Cziczo et une communauté croissante de scientifiques de l'atmosphère espèrent que l'identification des bases de la formation des nuages ​​efface toute incertitude restante sur le réchauffement climatique. En plus de leurs travaux expérimentaux, ils développent des modèles climatiques qui intègrent la formation des nuages. Les données qu'ils collectent contribueront à rendre ces modèles beaucoup plus précis, bien qu'il y ait des défis importants à surmonter : la plupart des modèles simulent le climat en divisant le globe en une grille, en faisant la moyenne des données météorologiques sur des carrés qui, à la résolution la plus fine, sont de 100 kilomètres carrés. L'intégration des données du nuage au niveau des aérosols fins nécessiterait une énorme puissance de calcul.

Chien Wang, chercheur principal au Center for Global Change Science du MIT, travaille avec Cziczo pour trouver des moyens d'intégrer ces données à particules fines dans des modèles climatiques à grande échelle. Le travail en laboratoire et sur le terrain de Dan peut évidemment nous aider à améliorer notre modèle pour mieux simuler le lien entre les aérosols et les nuages ​​de glace, et leurs effets sur le climat, explique Wang. Je suis très heureux que nous puissions l'avoir à la maison.

Le travail de Cziczo peut également aider à surmonter un autre obstacle majeur dans le domaine. Les chercheurs de groupes disparates ont tendance à construire leurs propres chambres à brouillard, et les mesures de l'une peuvent ne pas être comparables à celles de l'autre. L'instrument que Cziczo a aidé à concevoir a récemment été licencié par une entreprise du Colorado, qui le fabrique en tant que première chambre commerciale à nuage de glace. Le modèle numéro 001 a une place d'honneur sur son banc de laboratoire du MIT, et d'autres chercheurs ont passé des commandes pour plus d'unités.

De retour dans son bureau du MIT, Cziczo regarde par la fenêtre, une vue large qui englobe la ligne d'horizon de Boston et quelques nuages ​​égarés au-dessus. De temps en temps, il prend des photos de formations nuageuses ou de traînées intéressantes provenant d'avions qui passent, et demande à ses élèves d'identifier le type de nuage et l'endroit où il a pu se former. C'est un exercice né de l'émerveillement autant que de la curiosité scientifique.

Enfant, j'ai toujours été en quelque sorte fasciné par les nuages, le vol et des choses comme ça, se souvient-il. Je pense que j'en retire plus de joie maintenant, parce que j'en comprends une partie, et j'essaie toujours de regarder à l'extérieur et de comprendre les choses.

En plus d'étudier les nuages ​​dans l'atmosphère terrestre, Dan Cziczo étudie ceux qui pourraient se former sur Mars. Bien que l'atmosphère martienne soit trop mince pour supporter la vie, des images récentes de Mars Reconnaissance Orbiter de la NASA ont montré de la neige carbonique, précipitée des nuages.

Pour découvrir ce qui pourrait former ces nuages, qui ressemblaient à de la poussière de diamant pour Cziczo, lui et ses étudiants font pousser des nuages ​​dans des conditions semblables à celles de Mars en laboratoire. Ils ont récemment effectué un voyage dans la plus grande chambre à brouillard du monde, l'installation Aerosol Interaction and Dynamics in the Atmosphere (AIDA) à Karlsruhe, en Allemagne, un ancien réacteur nucléaire reconverti dont le cœur a été remplacé par une chambre de trois étages. . Des scientifiques du monde entier utilisent la chambre massive pour observer des effets à grande échelle qu'ils ne pouvaient pas voir dans des modèles de paillasse.

L'équipe de Cziczo a contacté la NASA pour obtenir des échantillons de poussière dont la composition serait similaire à celle de la poussière sur Mars (elle a en fait été collectée dans les déserts américains) et les a placés dans la chambre à nuages, ajustant sa température et son humidité relative aux niveaux qui ont été observés sur Mars. L'expérience a réussi à former un nuage de glace d'eau.

Cziczo espère poursuivre cette nouvelle branche extraterrestre de ses recherches, qui, selon lui, s'inspire en partie des images atmosphériques prises par Mars Reconnaissance Orbiter et la NASA. Phénix atterrisseur.

Vous pouvez voir des cristaux de glace tomber de l'atmosphère, dit-il. Et c'est drôle, parce que la première fois que j'ai vu ces images, elles ressemblaient à des nuages ​​dans l'atmosphère terrestre.

- J.C.

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