Nuages et particules

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Les propriétés des particules

Les particules ont des propriétés physiques (leurs tailles et leurs concentrations) qui dépendent de leur origine et de leur évolution dans l'atmosphère. Mais les particules diffèrent aussi suivant leur composition chimique. En effet, la composition chimique et les caractéristiques physiques d'une particule influencent énormément son devenir dans l'atmosphère. Si les aérosols sont très importants, c'est entre autres parce qu'ils sont nécessaires à la formation des nuages.

La composition chimique des aérosols

La composition chimique de la matière particulaire est fortement fonction de leur source.
Les composants majeurs des particules sont le sel, le sulfate, le nitrate, la matière organique, les espèces provenant de la croûte terrestre, les métaux en trace et l'eau.

Les aérosols les plus gros (de diamètre >1µm) sont composés généralement d'espèces crustales (silicium, magnésium, calcium, aluminium...), de chlorure de sodium (sel marin), d'éléments biologiques (pollens, spores, débris d'insectes...), de cendres de charbon.

Les particules fines sont essentiellement composées d'aérosols secondaires (issus de conversions de gaz en particules), comme le sulfate, le nitrate et les composés contenant du carbone, et de métaux (plomb, fer, cuivre, nickel).

Evolution chimique

L'air bougeant et changeant continuellement, la composition chimique d'une particule a tendance à évoluer pendant son temps de résidence dans l'atmosphère, qui est de plusieurs jours. On distingue le mélange interne du mélange externe:

Dans un mélange externe, les particules de sources différentes restent séparées, elles ne s'unissent pas les unes aux autres.

Dans un mélange interne, les différents composants chimiques se sont mélangés pour former une particule. Ainsi, plus une masse d'air est "âgée", plus il y aura de mélange interne.

1. Image au miscroscope électronique à transmission d'une poussière minérale collectée dans de l'air marin (mélange interne). Copyright © 1999, The National Academy of Sciences

Les CCN: noyaux de condensation nuageuse

Un des rôles les plus essentiels des aérosols atmosphériques est qu'ils permettent la naissance des nuages: la vapeur d'eau a besoin de ces toutes petites particules pour condenser. Néanmoins, toutes les particules ne peuvent pas jouer ce rôle de "noyau" grâce auquel les gouttes d'eau se créent. Les particules qui ont la propriété de former des gouttes s'appellent des noyaux de condensation nuageuse (en anglais, CCN). Cette capacité dépend de la taille de la particule, de sa composition chimique, et de la sursaturation (voir la formation des nuages).

La fraction des particules servant de CCN est généralement plus élevée au dessus des océans que dans les atmosphères polluées. Mais comme la concentration totale des aérosols est très supérieure en milieu pollué, les concentrations de CCN sont d'environ 100 par cm³ dans les masses d'air marin, alors qu'on peut trouver plusieurs centaines de CCN par cm³ dans les masses d'air pollué.

Pour servir de noyaux de condensation nuageuse, les particules doivent être suffisamment hygroscopiques, c'est à dire qu'elles doivent contenir des quantités suffisantes de matière soluble dans l'eau. C'est pour cela que la composition chimiques des particules a aussi un effet sur la formation des nuages. Par exemple, les particules minérales provenant du sol ne peuvent agir comme CCN lorsqu'elles viennent d'être émises, contrairement aux particules de sel marin (d'ailleurs, lorsque l'air est humide on a parfois du mal à se servir de la salière, puisque la vapeur d'eau a condensé sur les cristaux de sel et les a collés les uns aux autres!).

2. Les sillages de bateau dans l'atmosphère: les particules émises par les gros bateaux servent de CCN et forment les nuages qu'on voit sur cette image. La France est à droite et l'Espagne en bas de l'image. Lorsque les bateaux naviguent vers l'Atlantique est, des nuages se forment et permettent de visualiser leur trajectoire. Ces sillages atmosphériques peuvent persister plusieurs heures et fournissent des indication sur la vitesse des bateaux: plus le bateau est rapide, plus le nuage est étroit et long; plus le bateau est lent, plus le nuage sera court et large. Source: NASA.

Comment les particules modifient les nuages

Ainsi, c'est grâce aux particules d'aérosol que les nuages se forment. On peut donc en déduire que la taille et le nombre des particules initiales vont changer les caractéristiques des nuages. En fait, les aérosols jouent un rôle essentiel sur les nuages, en modifiant leur microphysique (c'est à dire le nombre et la taille des gouttes), leur faculté à précipiter ou non, et leurs propriétés optiques.

Les observations montrent que plus il y a de particules dans l'atmosphère sur lesquelles les gouttes peuvent se former, plus ces gouttelettes nuageuses seront nombreuses et petites. Ce n'est pas anodin: la taille et le nombre des gouttelettes sont des paramètres importants sur la production de précipitations et les propriétés optiques des nuages (l'influence des aérosols sur les nuages est appelée "effet indirect" est est traitée dans la 3ème partie).

Et puisque les activités humaines sont une source importante de particules, les humains modifient le nombre et les caractéristiques des nuages.

Regardez la photographie à droite: elle montre des traînées de condensation (appelées aussi contrails) sur la vallée du Rhône. On peut souvent voir dans le ciel ces nuages artificiels qui se forment dans le sillage des avions. Ils sont constitués de cristaux de glace qui se forment à des altitudes où la température de l'air est inférieure à -40°C. On estime qu'à l'heure actuelle ces nuages artificiels couvrent 0.1% de la surface terrestre.

A propos de cette page...
Auteur: J. Gourdeau, LAMP Clermont-Ferrand, France
Relecteur scientifique: Dr Paolo Laj, LaMP, France.
Date de création: 15.10.2003. Dernière version: 21.04.2004.