Des rayons cosmiques aux nuages

Oct 10, 2019

Le gigantesque complexe d'accélérateurs du CERN est actuellement à l'arrêt pour une période de deux ans, afin de subir des travaux d'amélioration. Cela ne veut pas dire pour autant que toutes les expériences du laboratoire sont suspendues. L'expérience CLOUD, par exemple, vient de lancer une campagne de collecte de données, qui s'achèvera à la fin novembre.

L'expérience CLOUD étudie l'effet des ions produits par des particules de haute énergie (appelées rayons cosmiques) sur les particules d'aérosol, les nuages et le climat. Elle exploite une chambre à brouillard et un faisceau de particules, en provenance du Synchrotron à protons, qui constitue une source artificielle de rayons cosmiques. Toutefois, pour la campagne en cours, l'expérience utilise les rayons cosmiques naturels, qui sont des particules de haute énergie provenant d'objets cosmiques, tels que les étoiles en explosion.

« Les rayons cosmiques, qu'ils soient naturels ou artificiels, laissent des traces, sous la forme d'ions, dans la chambre », explique Jasper Kirkby, porte-parole de l'expérience CLOUD. « Les rayons cosmiques fournis par le Synchrotron à protons, peuvent être ajustés de façon à reproduire l'éventail complet des taux d'ionisation enregistrés dans la troposphère, c'est-à-dire les dix premiers kilomètres d'épaisseur de l'atmosphère. Cela dit, nous pouvons également travailler avec le flux régulier de rayons cosmiques naturels pénétrant dans la chambre, et c'est ce que nous faisons à présent. »

En dix ans, l'expérience CLOUD a permis de faire plusieurs grandes découvertes sur les vapeurs qui constituent les particules d'aérosol dans l'atmosphère, et qui jouent également un rôle dans la formation des nuages. Bien que l'acide sulfurique soit essentiel à la formation de la plupart des particules d'aérosol, l'expérience CLOUD a montré que ces dernières pouvaient être produites par les seules vapeurs biogènes émises par les arbres, et que leur taux de formation était augmenté d'un facteur cent ou plus par les rayons cosmiques.

La plupart des campagnes de collecte de données de CLOUD se concentrent sur l'étude de la formation et de la croissance des particules d'aérosol à l'intérieur de la chambre, où sont simulées des conditions d'ensoleillement et d'ionisation par les rayons cosmiques. La campagne qui vient de débuter, dit de type « CLOUDy », concerne les propriétés d'ensemencement de nuages de liquide et de glace portant sur plusieurs types d'aérosols produits dans la chambre, et les effets directs de l'ionisation par les rayons cosmiques sur les nuages.

Le dispositif utilise la gamme la plus complète d'instruments jamais assemblés pour des expériences de type CLOUDy, y compris plusieurs outils visant à mesurer les propriétés d'ensemencement des nuages que présentent les aérosols sur toute l'échelle des températures troposphériques. De plus, l'équipe CLOUD du CERN a construit un système innovant de production de « germes de nuages » chargés électriquement, afin d'étudier les effets des aérosols chargés sur la formation et la dynamique des nuages.

« Les effets directs de l'ionisation des rayons cosmiques sur la formation des nuages de beau temps sont très peu connus ; ils n'ont presque jamais été étudiés de façon expérimentale », souligne Jasper Kirkby. « Si bien que cette campagne pourrait être particulièrement inintéressante, ou au contraire tout à fait passionnante ! Nous ne le saurons pas avant d'avoir essayé, mais nous voulons être capables, au terme de l'expérience CLOUD, de déterminer avec certitude si les rayons cosmiques ont une incidence sur les nuages et le climat. Et nous ne ménagerons pas nos efforts ! »


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