De minuscules particules d'aérosol pourraient être capables de renforcer les nuages convectifs tropicaux, mais les scientifiques débattent de cette idée depuis des décennies. Les aérosols influencent la formation et la croissance des gouttelettes de nuages, ce qui peut affecter la condensation et la libération de chaleur latente.
Un processus proposé, appelé invigoration convective par condensation des aérosols, dépend du développement de très hautes sursaturations en vapeur d'eau dans les nuages. Lorsque ces conditions se produisent, des particules d'aérosol supplémentaires peuvent former de nouvelles gouttelettes. Cela peut augmenter la condensation, libérer plus de chaleur latente et potentiellement accélérer l'air ascendant à l'intérieur du nuage.
Les mesures par avion n'ont généralement pas détecté les niveaux élevés de sursaturation quasi-stationnaire requis pour ce processus. Cependant, cela ne signifie pas que de telles conditions ne se produisent jamais dans l'atmosphère.
De nombreuses mesures précédentes se sont concentrées sur des environnements nuageux où une sursaturation extrême était improbable. Cela incluait des nuages relativement pollués, des nuages chauds peu profonds et des nuages échantillonnés sous leurs régions convectives plus profondes. À des altitudes plus élevées, les collisions de gouttelettes, la formation de précipitations et des courants ascendants plus rapides peuvent réduire la surface totale des gouttelettes, permettant à la sursaturation de s'accumuler.
Une nouvelle étude publiée dans Advances in Atmospheric Sciences a examiné des observations par avion recueillies lors de l'expérience Cloud, Aerosol and Monsoon Processes Philippines de la NASA. La campagne a eu lieu au-dessus des Philippines et des océans tropicaux voisins en 2019.
Des chercheurs de Chine, des États-Unis et d'Israël ont estimé la sursaturation quasi-stationnaire en utilisant des mesures de vitesses de courant ascendant et de distributions de tailles de gouttelettes de nuages. La méthode capture l'équilibre entre la vapeur d'eau produite lorsque l'air monte et la vapeur d'eau éliminée lorsqu'elle se condense sur les gouttelettes.
Les résultats indiquent que les nuages convectifs tropicaux peuvent atteindre des niveaux de sursaturation bien plus élevés que ceux enregistrés dans les études aériennes précédentes utilisant des méthodes comparables.
La sursaturation augmentait à mesure que l'avion échantillonnait des parties plus élevées des nuages, atteignant environ 10 % à environ -5 °C. À cette température, les régions de courant ascendant étaient encore principalement composées de gouttelettes liquides surfondues.
La sursaturation estimée continuait d'augmenter à des températures plus froides. Cependant, de la glace commençait à se former dans ces régions, rendant les estimations basées uniquement sur la phase liquide moins certaines.
Une étude complémentaire récemment publiée apporte un soutien supplémentaire aux résultats. Des chercheurs utilisant les données de la campagne aérienne ESCAPE au-dessus des côtes du Texas et de la Louisiane ont indépendamment détecté une sursaturation quasi-stationnaire rare mais extrême d'environ 11 % à l'intérieur de courants ascendants convectifs profonds.
Ensemble, les études suggèrent que la sursaturation élevée en vapeur d'eau se produit dans les environnements nuageux où l'invigoration convective par condensation des aérosols est la plus probable.
Les valeurs fiables les plus élevées ont été trouvées dans des courants ascendants forts avec des concentrations de gouttelettes relativement faibles. Lorsque les nuages contenaient plus de gouttelettes, leur surface combinée augmentait. Plus de vapeur se condensait alors sur ces gouttelettes, réduisant la sursaturation estimée.
Les observations ne prouvent pas que les aérosols ont rendu les nuages échantillonnés plus forts. Au lieu de cela, elles démontrent que les conditions atmosphériques requises pour l'invigoration convective par condensation des aérosols peuvent se développer à l'intérieur de vrais nuages convectifs tropicaux.
La sursaturation élevée agit comme le « carburant » que des particules d'aérosol fines ou ultrafines supplémentaires pourraient utiliser pour former plus de gouttelettes. Ces gouttelettes pourraient augmenter la condensation, libérer de la chaleur latente supplémentaire et potentiellement renforcer les courants ascendants du nuage.
Le résultat central n'est pas seulement que la sursaturation extrême existe. Les scientifiques doivent également examiner les bons types de nuages pour la détecter.
« Les études précédentes ont examiné des nuages pollués ou peu profonds – des types qui ne créent généralement pas les conditions de sursaturation élevée nécessaires à l'invigoration par condensation. Il n'est donc pas surprenant qu'ils n'aient pas vu ce mécanisme en action », a déclaré Daniel Rosenfeld de l'Université hébraïque de Jérusalem et de l'Université de Wuhan,