25 Août 2014

Les Nuages

Les Nuages

L'effet parasol des nuages est bien connu... et même apprécié les jours de grosse chaleur ! Il est d'ailleurs généralement qualifié d'effet albédo à cause du fort pouvoir réfléchissant, ou albédo, des nuages, ce qui revient à mettre l'accent sur la réflexion du rayonnement solaire par les nuages plutôt que sur la diffusion ou l'absorption. De même l'effet de serre des nuages de la nuit est sensible sur la température du petit matin.

Les nuages bas ont un effet parasol important et un faible effet de serre. C'est l'inverse pour des nuages hauts et fins comme les cirrus. Dans le cadre du réchauffement global, que deviendront la couverture nuageuse, le type et la répartition des nuages et quelles conséquences cela aura-t-il sur le bilan radiatif ? Cette question est essentielle car les modèles sont extrêmement sensibles à la façon dont les nuages sont représentés.

Nuage bas : fort effet d'Albédo, faible effet infrarouge.Nuage élevé (cirrus) : faible effet d'Albédo, fort effet infrarouge.Nuage à grande extension verticale (Cumulo nimbus) :
fort effet d'Albédo, fort effet infrarouge.

Si l'on désire mieux comprendre les interactions nuages-rayonnement et la réponse des nuages à une éventuelle perturbation climatique, il est nécessaire d'avoir une bonne connaissance de leurs propriétés microphysiques, distribution en taille, phase thermodynamique, forme prédominante et orientation aléatoire ou non des cristaux pour les nuages de glace ainsi que de leur morphologie, c'est-à-dire la répartition spatiale de l'eau liquide. Nous distinguerons deux types de nuages dont la microphysique est différente, les nuages hauts de type cirrus et les nuages dits hétérogènes comme les cumulus par exemple.

Propriétés optiques et microphysiques des nuages

Les cirrus et les nuages hauts couvrent en permanence au moins 20% de la planète. Cette estimation a été récemment revue ; les nouveaux capteurs qui possèdent une meilleure sensibilité et une meilleure résolution spatiale conduisent à une couverture plutôt proche de 30%. Si leur impact sur le climat est largement reconnu (Liou, 1986), nos connaissances sur leurs propriétés physiques sont actuellement insuffisantes pour les inclure dans les modèles et prédire leur impact sur le bilan radiatif. Il faut pour cela connaître la forme, la taille, l'orientation des cristaux de glace puisque leurs propriétés radiatives en dépendent (Brogniez, 1988 ; Takano and Liou, 1989a ; Brogniez et al., 1992 ; Macke, 1996 ; Takano and Liou, 1998 ; Doutriaux et al., 1999) et ceci à une échelle globale puisque ces propriétés dépendent du lieu, de la température, du contenu en eau, des conditions physiques qui assurent leur formation. Les propriétés des cirrus sont difficiles à obtenir depuis l'espace ; les cirrus fins et hétérogènes sont difficiles à détecter, leur phase et leur altitude ne sont pas mesurables avec les capteurs classiques. La complémentarité entre les différents capteurs de PARASOL, d'AQUA, de CALIPSO et de CLOUDSAT permettra de lever les ambiguités, d'étudier le problème de la nébulosité multicouches (Doutriaux-Boucher et Al., 1998), d'aborder le cas de phases mixtes liquide-glace.

Pour la nébulosité hétérogène, si la microphysique de ce type de nuages est mieux connue, nous ne disposons pas d'un ensemble de mesures permettant de remonter à la fois aux propriétés microphysiques, à la forme géométrique du nuage, à sa structure verticale et à des mesures indépendantes du champ de rayonnement permettant de valider et contraindre le modèle. Une limite évidente dans la modélisation des propriétés radiatives des nuages vient du fait que ceux-ci sont communément traités dans le modèle de transfert radiatif comme des couches dites "planes parallèles", horizontalement homogènes, dont la composition microphysique est fixée. Cette limite intervient d'ailleurs aussi bien pour l'estimation de l'influence des nuages sur le rayonnement dans les modèles de circulation générale que pour la détermination des propriétés des nuages (albédo, épaisseur optique, contenu en eau ou en glace) à partir des luminances mesurées depuis l'espace. Même dans le cas de nuages relativement "plan-parallèles" comme les stratocumulus, Cahalan et al. (1994) ont montré que la répartition de l'eau liquide à l'intérieur des nuages pouvait engendrer de graves différences sur la détermination de l'épaisseur optique du nuage depuis un satellite. Si le nuage n'est pas plan-parallèle, les conséquences sont encore plus significatives. De nombreux travaux ont montré que la forme des nuages avait aussi une influence considérable tant sur le flux (par exemple, Welch et Wielicki, 1985 ; Parol et al., 1994) que sur les réflectances bidirectionnelles (par exemple, Davis, 1984 ; Bréon, 1992 ; Kobayashi, 1993 ; Loeb et al., 1999). Des progrès significatifs ont déjà été obtenus mais il reste à hiérarchiser les sources principales d'erreur : (i) mauvaise prise en compte de la microphysique du nuage observé, (ii) mauvaise répartition horizontale du contenu (intégré verticalement) de l'eau condensée, ou encore (iii) influence de la forme du nuage (essentiellement la variation de l'altitude du sommet du nuage).

Quelques propriétés des nuages déduites de Polder
 


La phase thermodynamique de l'eau condensée est un paramètre primordial pour décrire les nuages et leurs effets sur le climat. C'est également la première information nécessaire pour pouvoir effectuer des analyses plus aval de la couverture nuageuse, aussi bien microphysiques (taille, forme, orientation des particules) que macrophysiques (épaisseur optique, altitude).

La mesure de la polarisation permet d'identifier sans ambiguïté la phase des nuages car les gouttelettes liquides ont une signature très spécifique dans une certaine direction d'observation, identique à celle de l'arc-en-ciel. 
Diagramme de réflectance polarisée au-dessus des nuages d'eau liquide (rouge) et au-dessus des nuages de glace (bleu).



Restitution de la mesure du diagramme de polarisation pour un cristal de type IHM
La combinaison des mesures en lumière "classique" et en polarisation a été analysée. Un modèle de cristal appelé IHM (Inhomogeneous Hexagonal Monocrystal) reproduit bien les variations angulaires et polarisées de la lumière réfléchie par les nuages de glace. Il permettra de simuler de façon réaliste les propriétés optiques et radiatives des nuages de glace. 


Pour les nuages d'eau liquide une méthode originale analysant les arcs de polarisation sur les images polarisées à 443, 670 et 870 nm permet de déterminer de manière très précise, lorsque le champ de nuages est homogène, la taille des gouttelettes d'eau au sommet du nuage. 
Image Polder montrant les arcs de polarisation observés sur un champ de nuages au large de l'Afrique.
 
Taille (en µm) des gouttes dans les nuages mesurée par POLDER (fig. 1)
(fig. 2)

Relation statistique entre la charge en aérosols et la taille des gouttes dans les nuages (en bleu au-dessus des océans ; en rouge au-dessus des continents).

Une statistique de ces résultats montre un fort contraste terre-mer des tailles de gouttes typiques, 6 à 10 µm sur terre contre 12 à 14 µm sur mer.

Une corrélation forte entre la taille des gouttes (fig. 1) et la charge en aérosols estimée par Polder a pu ainsi être mise en évidence (fig. 2). Les gouttes d'eau au-dessus des régions polluées sont plus petites que celles des nuages au-dessus des régions "propres". Des gouttes plus petites sont visibles sous le vent en bordure des continents.
Il s'agit là d'une manifestation de l'effet des aérosols sur la physique des nuages, ayant des répercussions importantes sur le bilan énergétique de la Terre.


Polder permet de déterminer le contenu intégré de vapeur d'eau atmosphérique (colonne) en se basant sur le contraste d'absorption entre les bandes à 910 et 865 nm, avec une précision équivalente à celle des radiosondages. Cette méthode est applicable en situation non nuageuse et fournit une couverture spatiale très intéressante, particulièrement au-dessus des continents.

Total Column Water Vapor from POLDER 2 on ADEOS II
15 June 2003 - monthly synthesis


Plus d'informations sur les produits Nuages, Vapeur d'Eau et Bilan Radiatif POLDER... (en anglais)