Microphysique
La microphysique des nuages est la branche des sciences atmosphériques qui se consacre à l’étude des hydrométéores qui forment les nuages.
Un nuage est en effet composé d’une multitude de particules, gouttes d’eau liquide ou cristaux de glace, et ces particules minuscules, de quelques centaines de micron à quelques cm pour les plus grosses, jouent un rôle important sur ses caractéristiques macroscopiques.
Ainsi la structure micro-échelle d’un nuage, caractérisée par la concentration en nombre des particules, de leur phase, de leur forme et de leur dimension, influence directement ses propriétés radiatives et donc sa contribution au système climatique, sa capacité à produire des précipitations sous forme de pluie, de neige ou de grêle et des éclairs, sa durée de vie ou encore les réactions chimiques qui s’y produisent.
Figure 1 : principaux processus intervenants dans le cycle de l’eau des nuages convectifs.
Si les phénomènes dynamiques et thermodynamiques à l’origine de la formation des nuages sont relativement bien compris, comme par exemple la détente adiabatique que subit de l’air chaud et humide qui s’élève dans l’atmosphère, de nombreux phénomènes microphysiques restent encore à élucider : comment se forment par exemple les embryons de précipitation, ces grosses gouttelettes qui vont déclencher la production de la pluie ; quel est l’impact sur les gouttelettes de l’entraînement puis du mélange d’air sec environnant dans le nuage ; comment les émissions anthropogéniques affectent elles les nuages ?
D’autre part, des phénomènes de si petites échelles ne peuvent pas bien sûr être décrits explicitement dans les modèles numériques et doivent donc être paramétrisés. Les nuages sont encore très difficiles à représenter et il est admis qu’ils constituent la principale source de divergence des modèles, aussi bien pour la prévision du temps que pour le changement climatique.
Une partie des travaux de recherche de l’équipe MNPCA est dédiée à l’étude des différents processus microphysiques mis en jeu dans les nuages de couche limite « chauds » (sans phase glace) et dans le brouillard. Elle s’intéresse en particulier aux processus d’activation (formation des gouttelettes), à leur croissance par diffusion de vapeur, à l’impact du processus d’entraînement-mélange et au déclenchement des précipitations.
Figure 2 : Instruments microphysiques sur l’ATR-42 de SAFIRE pendant la campagne EUCAARI.
L’équipe MNPCA s’appuie principalement sur l’analyse des observations. Elle développe pour cela des instruments de mesure in situ qui sont embarqués sur des avions de recherches (ATR-42 de Safire ou C-130 du NCAR par exemple) et les met en œuvre lors des grandes campagnes expérimentales comme par exemple ACE2 en 1997 aux Canaries, RICO en 2004-2005 à Antigua ou EUCAARI en mai 2008 aux Pays-Bas. Documenter précisément les propriétes microphysiques des nuages reste en effet un challenge car la mesure aéroportée est très difficile.
L’équipe s’est tournée également vers la modélisation ces dernières années, et utilise de façon croissante les simulations LES produites par le modèle atmosphérique Méso-NH. La synergie entre analyse des observations et modélisation numérique est en effet essentielle pour améliorer nos connaissances de la physique des nuages.
- Publications de référence
Brenguier, J.-L., H. Pawlowska, L. Schüller, R. Preusker, J. Fischer, Y. Fouquart, 2000 : Radiative Properties of Boundary Layer Clouds : Droplet Effective Radius versus Number Concentration. J. Atmos. Sci., 57, 803–821.
Burnet F., and J.-L. Brenguier, 2007 : Observational Study of the Entrainment-Mixing Process in Warm Convective Clouds. J. Atmos. Sci., 64, 1995-2011.
Sandu, I., J.-L. Brenguier, O. Geoffroy, O. Thouron, V. Masson, 2008 : Aerosol Impacts on the Diurnal Cycle of Marine Stratocumulus. J. Atmos. Sci., 65, 2705–2718.