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Les gaz à effet de serre sont peut-être les principaux responsables du réchauffement rapide de notre planète, mais les particules en suspension dans l'air jouent également un rôle. La suie, la poussière, le sulfate et d’autres aérosols peuvent à la fois refroidir l’atmosphère et la réchauffer. Près de 30 ans après le premier rapport du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat, nous ne savons toujours pas à quel point les aérosols influent sur le climat.,. Ces particules restent l’une des plus grandes sources d’incertitude persistante.
Pourquoi sont-ils si énigmatiques? Premièrement, les aérosols sont un zoo de minuscules particules, dont les origines vont de la fumée de feu aux molécules émises par les plantes (voir «Aérosols et climat»).
Deuxièmement, leurs impacts climatiques varient considérablement. La suie sombre absorbe la lumière du soleil et réchauffe l'air. Le dioxyde de soufre émis par la combustion de combustibles fossiles ou par les volcans forme un voile de particules d'acide sulfurique qui réfléchit la lumière du soleil, abaissant les températures globales. Les particules de sulfates agissent comme des noyaux autour desquels l'eau se condense, semant les nuages et augmentant leur réflectivité.
Troisièmement, les comportements des mélanges d’aérosols sont difficiles à prévoir. Le réchauffement dû à la suie empêche-t-il les nuages de se former autour des particules de sulfate dans l'air sale? Combien de particules absorbantes gisent au-dessus des nuages et interceptent la lumière solaire incidente et réfléchie?
Et quatrièmement, les aérosols sont éphémères. Ils ne restent dans l'atmosphère que quelques jours ou quelques semaines, alors que le dioxyde de carbone survit il y a des centaines d'années. Cela signifie qu'ils ne s'accumulent pas aussi rapidement que CO2, même quand continuellement pompé dans l'air. Leurs distributions fluctuent également dans le temps, dans le monde entier et verticalement.
Les modèles climatiques sont également en désaccord sur de nombreux aspects fondamentaux des aérosols et de leurs interactions. Par exemple, ils ne peuvent pas prédire avec précision comment les particules modifient la quantité et la répartition de l’eau liquide dans les nuages.
Les chercheurs ont besoin d'une action coordonnée pour déterminer le rôle des aérosols sur le climat et réduire ainsi les incertitudes concernant les prévisions de réchauffement dû aux gaz à effet de serre. Des progrès dans les trois domaines suivants élimineraient ces incertitudes d’ici une décennie.
Établissez les propriétés clés. Les distributions d’aérosols ne font pas l’objet d’un suivi adéquat dans le monde entier. D'autres expériences sur le terrain sont nécessaires dans une variété d'emplacements exposés à différentes sources pour aider à caractériser la taille, la composition et le nombre de particules d'aérosol. Les levés aéroportés sont efficaces – la campagne ATOM, qui ont échantillonné des aérosols au-dessus des océans sous diverses latitudes, devraient être étendus. Les satellites peuvent cartographier l'épaisseur des couches de particules sur de grandes surfaces. Mais ils ne distinguent pas les différents mélanges et ne peuvent pas voir à travers les nuages. Ils identifient également parfois de manière erronée les grosses particules d'aérosol, telles que les sulfates gonflés par l'humidité, sous forme de gouttelettes d'eau.
Les réactions clés dans l’atmosphère qui produisent ou modifient les aérosols sont également mal comprises. Par exemple, les plantes émettent des terpènes et d'autres composés organiques volatils qui s'oxydent dans l'air. Les produits sont moins volatils que les composants d'origine et pourraient alors se condenser et former d'autres aérosols. La combustion de combustibles fossiles peut également produire des aérosols organiques, mais la quantité d’oxydation ou de combustion qui en résulte reste inconnue.
Les propriétés des mélanges d’aérosols et les seuils de comportement doivent être déterminés. Par exemple, combien de sulfate faut-il ajouter à la suie et à la poussière pour former des gouttes d’eau? Et comment les gaz à faible volatilité génèrent-ils des particules qui se développent et se mélangent avec d'autres aérosols pour atteindre des tailles pouvant influer sur les gouttelettes de nuage?
Combler ces lacunes en données nécessitera encore davantage d'expériences sur le terrain, à la fois dans un air pur et dans différentes sources d'air sale. Des études de laboratoire permettraient de mieux comprendre les réactions.
Dissocier les influences sur les nuages. La réflectivité et donc le refroidissement des nuages dépendent de leur épaisseur, de leur couverture et de leur teneur en eau. Les aérosols forment des nuages, mais leur degré d'augmentation de la teneur en eau varie en fonction des conditions météorologiques. Par exemple, une plus grande quantité d'eau se condense autour des particules dans les nuages alimentés par de l'air humide qui a été soulevé du sol par convection ou turbulence. Moins d'eau se condense dans ceux qui sont balayés par l'air sec descendant.
Les chercheurs doivent démêler les influences de la température, du vent, de l'humidité et des aérosols sur les nuages. La première étape consiste à identifier les conditions clés dans lesquelles se forment certains types de nuages, puis à étudier les différences entre des nuages d’origine similaire dans un air propre et dans un air sale. La plupart des nuages examinés jusqu’à présent sont ceux qui recouvrent l’océan – cumulus alizé et berges de stratocumulus les nuages reflètent une proportion élevée de la lumière solaire atteignant la Terre. Mais il convient également d'étudier les nuages au-dessus de vastes zones océaniques et les zones basses au-dessus de continents.
De même, l’influence des aérosols sur la formation de cristaux de glace dans les nuages en «phase mixte», ainsi que dans les nuages profonds à convection et à cirrus fait également défaut. Les aérosols peuvent rendre ces nuages plus ou moins réfléchissants, selon les conditions. L'ajout de poussière, de suie ou de particules organiques vitreuses à l'air déjà pollué par ces particules peut augmenter le nombre de cristaux de glace et, par conséquent, le refroidissement. Mais le contraire est vrai lorsqu'un grand nombre de particules de voile, telles que des sulfates, dominent. Des observations du nombre et de la concentration de cristaux de glace dans les nuages formés dans l'air pur et sale du monde entier contribueraient à démêler ces effets.
Améliorer les modèles. Les observations ont révélé des liens entre la taille des particules d'aérosol, l'épaisseur des couches d'aérosol et la concentration de gouttelettes d'eau dans les nuages. Par exemple, les grosses particules et les couches épaisses produisent des concentrations plus élevées de gouttes d’eau reflétant plus de lumière solaire. Mais ces relations ne sont pas reproduites avec précision dans les modèles.
Déterminer pourquoi certains modèles décrivent mieux les observations que d’autres accélèrerait les progrès (voir «Un avenir incertain»). Les modèles utilisent des descriptions très simplifiées: les particules sont généralement modélisées en trois tailles et avec des proportions variables de composants chimiques. Alternativement, les formules utilisées pour lier la composition, la taille et le nombre d'aérosols à la génération de gouttes nuageuses pourraient devoir être améliorées. Les traitements de la couverture et des épaisseurs de nuages sont parfois également inadéquats.
Les modèles devront peut-être augmenter la résolution pour suivre tous les processus micro et macrophysiques plus en détail. Les modèles régionaux peuvent être exécutés à des résolutions beaucoup plus élevées que les modèles globaux. Leur comparaison avec les observations devrait révéler davantage de processus, y compris, par exemple, l'influence du mélange d'aérosols provenant de biomasse en combustion en haute altitude sur les nuages au large des côtes..
Une série de comparaisons entre les modèles et les observations doit être réalisée, y compris des études de régions avec et sans émissions volcaniques. et des régions vierges et polluées soumises à des régimes météorologiques similaires. Comparaisons des calculs du bilan énergétique de la Terre dans le temps, peut-être délimitées par hémisphère ou région, et d’autres types d’observations (telles que le rayonnement solaire réfléchi, le rayonnement de surface et les caractéristiques des aérosols) seraient également utiles.
La réalisation de tous ces tests et l’extension de la surveillance orienteraient les chercheurs dans d’autres directions pour améliorer les modèles et les observations. Un atelier organisé par les consortiums AeroCom et AeroSAT en Espagne en septembre sera une bonne occasion de faire progresser les priorités visant à réduire les incertitudes liées aux aérosols dans les modèles climatiques.
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