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Des physiciens résolvent le casse-tête de la formation des nuages
L'un des plus grands défis de la physique atmosphérique est d'expliquer comment se forment les nuages.
Les physiciens connaissent bien sûr les bases : qu'à une certaine température et pression, la vapeur d'eau se condense en gouttelettes qui se combinent pour former des gouttes de pluie suffisamment lourdes pour tomber sur Terre.
Le diable est dans le détail. Ce processus d'agrégation de gouttelettes se produit parfois si rapidement qu'il défie toute explication. La plupart des gens auront vu des nuages se former en quelques minutes et la pluie apparaîtra presque de nulle part.
Des chercheurs ont même mesuré ce processus. Ils voient généralement des gouttelettes d'un diamètre de 15 micromètres – trop petit pour la pluie – atteindre 50 micromètres ou plus en moins d'une demi-heure. C'est assez gros pour déclencher une averse.
La question est de savoir comment cette croissance se produit. Aucun modèle standard de formation de gouttelettes ne peut l'expliquer ( (du moins, en l'absence de formation de glace). Mais aujourd'hui, nous avons une solution grâce aux travaux de Vassilios Dallas et Christos Vassilicos à l'Imperial College de Londres.
Au cœur de ce problème se trouve une quantité appelée nombre de Stokes, du nom du mathématicien irlandais George Stokes, qui l'a inventé au 19ème siècle. Le nombre de Stokes est une quantité sans dimension liée à l'inertie qui décrit comment les gouttelettes d'eau se rencontrent dans un flux de gaz. Il est extrêmement sensible à l'échelle à laquelle ces collisions se produisent.Lorsque le nombre de Stokes est petit, une gouttelette suit le flux de gaz lorsqu'elle se déplace autour d'une autre gouttelette et elles entrent donc rarement en collision. Lorsque le nombre est grand, les gouttelettes ont une plus grande inertie et ne peuvent donc éviter de se cogner les unes contre les autres.
Voici le problème. Avant la formation des nuages, les gouttelettes sont petites et le nombre de Stokes est minuscule. Par conséquent, les gouttelettes entrent rarement en collision. Après la formation des nuages, les gouttelettes sont grosses et le nombre de Stokes est énorme, ce qui signifie que les particules se combinent facilement, créant de la pluie. Mais comment s'opère cette transition ?
Il y a un problème de poule et d'œuf ici. Les gouttelettes ne peuvent pas croître rapidement à moins que le nombre de Stokes ne soit grand, mais le nombre de Stokes ne peut pas être grand à moins que les gouttelettes ne soient grandes.
La percée réalisée par Dallas et Vassilicos est de montrer comment les turbulences modifient cette relation. Ils disent que la turbulence se produit sur une vaste gamme d'échelles, y compris les échelles micrométriques auxquelles se forment les gouttelettes. L'effet de cette turbulence est de créer de grandes variations du nombre de Stokes à l'échelle micrométrique. C'est, disent-ils, ce qui fait que les minuscules gouttelettes se heurtent plus souvent.
Essentiellement, Dallas et Vassilicos disent que les turbulences à l'échelle micrométrique accélèrent la formation des nuages et déclenchent des averses de pluie.
C'est un résultat intéressant, mais pas tout à fait inattendu, qui devrait conduire à de meilleures prévisions météorologiques. Peut-être plus important encore, cela pourrait également avoir un impact important sur les modèles climatiques. Les nuages ont un effet important sur la quantité de lumière que la Terre renvoie dans l'espace. Pouvoir mieux calculer quand ils se forment est important.
Et cela bouche un trou embarrassant dans notre compréhension de l'un des phénomènes atmosphériques les plus fondamentaux.
Réf : arxiv.org/abs/1012.0578 : Initiation à la pluie dans les nuages chauds