Une vue de l'équipe de l'expérience Cloud devant sa chambre de 3 m de diamètre en acier inoxydable, contenant de l'air humidifié ultrapur et des traces de gaz choisis, placée dans la trajectoire d'un faisceau de pions chargés qui simule les rayons cosmiques ionisants. © 2011 Cern-Maximilien Brice

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Cloud : le Cern sur la piste d'un lien entre rayons cosmiques et climat

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L'expérience Cloud menée au Cern vient de montrer que des rayons cosmiques peuvent provoquer la formation d'aérosols dans l'atmosphère. Même si, dans les conditions de l'expérience, ils sont trop petits pour induire la formation de nuages, ce résultat renforce l'idée qu'il y a peut-être un lien entre rayons cosmiques et changements climatiques.

Les nuages sont un élément important dans le bilan du transfert radiatif de l'atmosphère et constituent donc un paramètre clé du climat de notre planète. Ils peuvent, par exemple, réfléchir la lumière provenant du Soleil et ainsi contribuer à refroidir la planète. Ils peuvent aussi, à l'inverse, participer à l'effet de serre en piégeant le rayonnement issu du sol et donc réchauffer la Terre. Leur impact sur le climat dépend de l'altitude à laquelle ils se forment et diffère si la couverture nuageuse augmente ou diminue. 

Comme ces nuages sont formés de microscopiques gouttelettes d'eau, la réponse à cette question revient à comprendre comment et pourquoi ces gouttelettes se forment. On a de bonnes raisons de penser que c'est à partir d'aérosols, c'est-à-dire de minuscules particules liquides ou solides en suspension dans l'atmosphère qui peuvent servir de germes de nucléation.

Mais qu’est ce qui détermine la formation des nuages ?

La moitié de ces aérosols est directement injectée dans l'atmosphère puisqu'il s'agit de particules de poussière, d'embruns ou de la pollution provenant de la combustion de la biomasse. Mais l'autre moitié a une origine qui n'est pas encore bien comprise. On pense généralement qu'il s'agit de molécules d'eau, d'acide sulfurique et d'ammoniac qui forment, pour une raison ou pour une autre, de grands amas.

Depuis les travaux de Wilson en 1912, on sait que des particules chargées peuvent provoquer la formation de gouttelettes d'eau dans une atmosphère humide et l'on pouvait donc soupçonner que les rayons cosmiques pouvaient jouer un rôle important dans la formation de la couverture nuageuse de notre planète.

Or, le flux de rayons cosmiques atteignant l'atmosphère est modulé par le champ magnétique du Soleil. S'il existe bel et bien un lien entre les nuages et les rayons cosmiques, aucun modèle de l'évolution du climat de la Terre ne peut se permettre d'ignorer la nature et l'importance de ce couplage s'il veut reposer sur des bases fermes.

La théorie connectant aérosols et rayons cosmiques est présentée sur ce schéma. Ainsi, sur la gauche, des particules ionisantes venant d'un reste de supernova atteignent-elles l'atmosphère où elles provoquent la formation de molécules ionisées qui vont s'agglutiner pour former des amas moléculaires. Si leur taille est suffisante, ces amas s'entoureront de molécules d'eau et des gouttelettes de nuage naîtront. © Fabienne Marcastel

C'est pour tenter de résoudre ce problème que l'expérience Cloud (Cosmics Leaving OUtdoor Droplets) a été entreprise au Cern depuis quelques années. Un bilan des observations effectuées vient d'être publié dans un article de Nature (voir le lien au bas de l'article) et l'on peut aussi consulter au sujet de cette expérience la vidéo de Jasper Kirkby, le porte-parole de Cloud.

Des aérosols oui, mais pas encore de gouttelettes

L'expérience en elle-même consiste en une chambre en acier de 3 m de diamètre dans laquelle on peut reconstituer les conditions supposées régnant dans l'atmosphère à une altitude donnée. Les chercheurs commencent d'abord par produire de l'air ultrapur à partir d'oxygène et d'azote liquides puis introduisent des quantités désirées de vapeur d'eau, d'acide sulfurique et d'ammoniac. Un faisceau de pions chargés produit à l'aide du Proton Synchrotron pénètre alors dans la chambre. Tout comme pour la pression et la température, son intensité peut être fixée à volonté.

Les nouveaux résultats obtenus par les membres de Cloud ont été présentés de la façon suivante par Jasper Kirkby : « Nous avons observé pour la première fois certains processus atmosphériques déterminants. Nous avons trouvé que les rayons cosmiques favorisent nettement la formation de particules d'aérosol au milieu de la troposphère et au-dessus. Par la suite, ces aérosols peuvent devenir les noyaux de condensation des nuages. Cependant, nous avons pu établir que les vapeurs qui étaient considérées comme responsables de la formation de tous les aérosols dans la basse atmosphère ne peuvent expliquer qu'une petite partie des observations, même avec la contribution des rayons cosmiques. »

En clair, si les chercheurs ont bien montré que les rayons cosmiques favorisaient l'apparition d'aérosols (d'un facteur 10) à partir d'un mélange de vapeur d'eau, d'ammoniac et d'acide sulfurique à des altitudes de plus de 5 km, avec des températures inférieures à -25 °C, ils n'ont observé qu'une faible production pour les couches de l'atmosphère plus basses, en contradiction avec ce que l'on pensait. Cela implique que d'autres molécules sont en jeu pour expliquer les observations dans cette couche.

Peut-on en conclure qu'il existe vraiment un lien entre climat et rayons cosmiques ? Pas encore, car les aérosols produits par les chercheurs du Cern sont trop petits pour vraiment servir de germes de nucléation pour la formation de gouttelettes d'eau. La question reste donc ouverte et les recherches vont se poursuivre.