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Les rayons cosmiques peuvent-ils influer sur le climat de la Terre ?

Modulé par le champ magnétique du Soleil, le flux des rayons cosmiques galactiques a-t-il un impact sur le climat, via la formation de nuages modifiant l’albédo de notre planète ? Une expérience du Cern tente de le savoir. Une autre, menée au Danemark, montre déjà qu’un lien est effectivement possible...

Une vue de l'expérience Cloud au Cern. © Cern/Maximilien Brice Une vue de l'expérience Cloud au Cern. © Cern/Maximilien Brice

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L’expérience Cloud (Cosmics Leaving OUtdoor Droplets) au Cern se propose de déterminer l'influence que pourraient avoir les rayons cosmiques galactiques sur les nuages et le climat de la Terre, en étudiant leurs interactions microphysiques. En effet, la quantité de nuages, leurs caractéristiques et leur présence à diverses altitudes ont des répercussions sur le transfert radiatif de l’énergie solaire. Selon les cas, en réfléchissant le rayonnement issu du Soleil ou en piégeant celui issu de la Terre, les nuages peuvent influer de façon négative ou positive sur l’évolution de la température moyenne de la planète.

Or, on soupçonne depuis un certain temps que l’intensité des rayons cosmiques tombant sur Terre module en partie la quantité de nuages présents dans l’atmosphère à des altitudes données. Afin d’affiner et de préciser les modèles climatiques utilisés par le Giec, il est donc naturel d’examiner ce lien d’un peu plus près.

Physique des particules et météorologie, un lien ancien

L’idée d’un lien entre particules chargées et formation des nuages est ancienne puisqu’elle a été à l’origine de la première chambre à brouillard, créée en 1912 par le physicien écossais Charles Wilson. Fasciné par le spectacle des nuages, il a voulu comprendre leur mécanisme de formation ce qui le conduisit à poser l'hypothèse que des ions libres servaient de germes de nucléation pour la condensation de gouttelettes à partir de la vapeur d'eau. Cherchant à vérifier cette hypothèse, il commença par démontrer en 1896 que les rayons X, certains rayons cosmiques et surtout des matériaux radioactifs provoquent la formation d’un brouillard.

Poursuivant ses travaux et découvrant que, dans un milieu à la limite de la saturation en vapeur contenu dans une chambre, les particules la traversant y provoquaient la formation de petites gouttes alignées, il inventa en 1912 le fameux dispositif permettant l'observation des trajets de particules énergétiques ou chargées. En donnant le moyen d'identifier certaines caractéristiques de ces particules, la chambre de Wilson fit faire un bond à la physique et fut l’ancêtre d’abord des chambres à bulles puis de la chambre multifils de Georges Charpak. Pour cette invention Wilson reçut d’ailleurs le prix Nobel de physique en 1927.

 
Le prix Nobel de physique Charles Wilson. © The Nobel Foundation 

C’est donc d’une certaine façon un retour aux sources de la physique des hautes énergies qu’effectuent les physiciens de Cloud lorsqu’ils utilisent les faisceaux de particules produits par le Proton Synchroton (PS) du Cern pour les envoyer dans une chambre de réaction où leurs effets sur la production d'aérosols sont enregistrés et analysés. La chambre elle-même est alimentée par un dispositif produisant de l'air ultrapur provenant de l'évaporation d'oxygène et d'azote liquides et elle permet de reconstituer les conditions de température et de pression en tout point de l’atmosphère terrestre.

Une expérience danoise avec peu de moyens

Il existe une autre chambre similaire à l’Université d'Aarhus au Danemark et les chercheurs ont là aussi entrepris de vérifier si l’hypothèse avancée par le physicien Henrik Svensmark est correcte, à savoir si les rayons cosmiques sont bien en mesure d’influencer significativement la couverture nuageuse de la planète. Le mélange d’oxygène, d’azote et de traces de vapeur d’eau, de dioxyde de soufre et d’ozone contenu dans la chambre a d’abord été soumis à un flux d’ultraviolets pour générer des molécules d’acide sulfurique autour desquelles des agrégats peuvent se former. Les physiciens ont ensuite fait passer dans la chambre un faisceau d’électrons à des énergies de 580 MeV fournies par le plus grand accélérateur de particules du Danemark, Astrid.

Analysant des prélèvements, Svensmark et ses collègues ont effectivement constaté que le taux de formation d’agrégats de molécules d’eau était effectivement augmenté. Toutefois, les agrégats formés avaient une taille de l’ordre de 3 nanomètres (nm) alors qu’il faudrait au moins 100 nm pour qu’ils puissent effectivement servir de germes de nucléation pour les gouttes d’eau des nuages. Leur petite taille serait due à celle de la chambre elle-même qui n’est pas assez grande, contenant seulement 0,05 m3. Il pourrait fort bien en être tout autrement avec la chambre du Cern dont le volume est de 27 m3.

Rayons cosmiques et réchauffement climatique, un lien pas évident

Toujours est-il que cela confirme bel et bien un rôle possible des rayons cosmiques dans la formation des nuages. Il faut cependant garder bien présent à l’esprit deux faits. D’abord, la corrélation observée entre intensité du rayonnement cosmique et évolution de la température moyenne dans le passé ne fonctionne plus depuis quarante ans. Ce qui est une difficulté à résoudre pour ceux qui voudraient attribuer le réchauffement climatique aux modulations du flux de rayons cosmiques par le champ magnétique du Soleil.

Ensuite, quels seraient les nuages dont la formation serait ainsi significativement pilotée par ce flux ? La question est d’importance car s’il s’agit de nuages de hautes ou de basses altitudes l’effet est soit de piéger du rayonnement issu du sol soit au contraire de réfléchir celui du Soleil. Une augmentation ou une diminution du flux de rayons cosmiques n’aura donc pas les mêmes effets selon que l'un ou l'autre de ces types de nuages est majoritairement affecté.


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