Sur la piste des poussières fines
L'effet des particules fines sur les nuages est l'une des plus grandes incertitudes dans les prévisions sur le changement climatique. Yu Wang explore, à l'aide de l'apprentissage automatique et de données satellitaires, le r?le surprenant de ces minuscules particules dans l'atmosphère.
En automne 2014, le volcan Holuhraun est entré en éruption en Islande et a rejeté jusqu'à 120 000 tonnes de dioxyde de soufre dans l'air chaque jour. Au-dessus de cette région par ailleurs presque intacte s'est formé dans l'atmosphère un immense panache de minuscules particules appelées aérosols - un polluant atmosphérique tristement célèbre. L'éruption volcanique a marqué le début d'une expérience naturelle permettant aux climatologues d'étudier l'impact de l'augmentation soudaine des particules fines sur les nuages. "Comme les aérosols peuvent favoriser la formation de gouttelettes dans les nuages, ils sont un facteur important pour prédire le changement climatique, mais nous en savons encore très peu", explique Yu Wang. Cette scientifique environnementale de 30 ans effectue depuis septembre 2021 des recherches en tant que Fellow de l'ETH à l'Institut pour l'atmosphère et le climat de l'ETH Zurich, dans le groupe d'Ulrike Lohmann, professeure de physique atmosphérique.
C'est avec enthousiasme que Wang parle de l'étude qu'elle a récemment publiée dans "Nature Geoscience", avec son mari Ying Chen, Ulrike Lohmann et d'autres chercheurs du bureau météorologique britannique, des universités d'Exeter, Cambridge, Leeds et Munich ainsi que de la Nasa. De temps en temps, elle rit de bon c?ur et se réjouit de l'intérêt porté à ses découvertes. "Mon travail est vraiment passionnant", dit-elle en expliquant : "Les émissions qui ont un impact sur le climat se composent essentiellement de deux parties. D'une part, les gaz à effet de serre, d'autre part, les aérosols". Les gaz à effet de serre réchauffent la planète. Les aérosols, en revanche, contrecarrent cet effet, surtout par la formation de nuages.
"Les nuages sont un écran pour la Terre et la refroidissent", dit la scientifique en écartant les bras devant elle pour rendre cette image encore plus claire. Mais le problème, selon elle, est que l'on ne peut pas quantifier avec suffisamment de précision l'effet des aérosols et l'effet de refroidissement des nuages. Selon le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC), les aérosols sont l'une des plus grandes sources d'incertitude lorsqu'il s'agit de comprendre l'impact de l'homme sur le climat actuel.
Des chercheurs en climatologie ont donc saisi l'occasion de l'éruption volcanique en Islande pour étudier l'effet des aérosols libérés, en comparant les nuages de l'automne 2014 au-dessus de l'Atlantique Nord avec la situation des années précédentes et suivantes. Mais cette comparaison était boiteuse, car la formation des nuages dépend aussi en grande partie de la météo, qui n'était pas la même pendant l'éruption que les autres années.
La grenouille météo sortie de la machine
"Nous avons également utilisé l'éruption volcanique", explique Wang : "Mais nous avons appliqué une méthode d'apprentissage automatique qui, comme une grenouille météo, peut indiquer à quoi ressemblent les nuages dans certaines conditions météorologiques." Il est ainsi possible de déterminer, à partir des années "propres", quelle aurait été la situation des nuages l'année de l'éruption s'il n'y avait pas eu d'éruption volcanique. " C'est comme une prévision météorologique ", explique Wang. Si l'on conna?t, gr?ce à l'apprentissage automatique, les nuages prévus en l'absence d'éruption du volcan Holuhraun ainsi que la situation des mêmes mois dans les années précédant et suivant l'éruption, on sait que la différence est uniquement due aux aérosols.
Le résultat de cette étude a surpris les chercheurs, car il va à l'encontre des idées re?ues. "Il faut savoir", explique Wang, "qu'il y a deux effets différents dans l'interaction entre les aérosols et les nuages". Si les émissions sont plus fortes, le nombre de gouttelettes dans les nuages augmente, mais elles sont plus petites. Cela rend les nuages plus clairs. Ils réfléchissent davantage de lumière solaire vers l'espace. Si les gouttelettes sont plus petites, mais aussi plus nombreuses, le nuage peut retenir plus d'eau avant qu'il ne pleuve. Les nuages persistent plus longtemps. "Auparavant, on pensait que la luminosité des nuages dominait en tant qu'effet de refroidissement, mais nous avons découvert que la durée d'un nuage ou la formation de nouveaux nuages était plus importante", explique Wang. Au total, les aérosols de l'éruption volcanique ont augmenté la couverture nuageuse d'environ dix pour cent.
"Les aérosols ne sont pas seulement des polluants atmosphériques, ils stimulent aussi la formation des nuages et influencent ainsi le climat".Yu Wang
L'intérêt pour les particules fines a accompagné Wang bien avant qu'elle ne s'intéresse à la recherche climatique. "Je suis née près de Pékin, où l'air est très pollué", raconte-t-elle : "Je voulais savoir pourquoi la qualité de l'air dans ma ville natale était bien pire qu'en Europe ou aux ?tats-Unis". Elle a étudié les sciences de l'environnement à Changchun et à Pékin et a voulu, dans son mémoire de master, découvrir pourquoi la concentration de polluants responsables de la pollution atmosphérique était si élevée à Pékin. "Lors de mes observations sur le terrain, je me suis rendu compte que la situation dans l'atmosphère réelle était si complexe qu'il fallait aller en laboratoire pour mieux la comprendre", explique la chercheuse.
De la Chine à la Grande-Bretagne
Elle a posé sa candidature pour un doctorat à l'université de Manchester, a été acceptée et a quitté la Chine pour le Royaume-Uni en 2017. "Un pas de géant", se souvient-elle, en soupirant avant de rayonner à nouveau et de dire : "Je veux découvrir de nouvelles choses, je trouve cela passionnant". ? Manchester, elle a travaillé avec une chambre d'expérimentation dans laquelle du gaz était pompé pour observer la formation d'aérosols. "C'est là que j'ai réalisé que les aérosols ne sont pas seulement des polluants atmosphériques, mais qu'ils stimulent aussi la formation des nuages et influencent ainsi le climat", raconte-t-elle : "C'est à ce moment-là que j'ai commencé à faire de la recherche sur le climat".
Leur étude récemment publiée sur l'interaction entre les aérosols et les nuages se distingue fondamentalement des travaux précédents, car elle ne s'appuie pas sur des modèles climatiques, mais utilise des techniques d'apprentissage automatique, explique Wang. L'équipe de recherche a utilisé les observations satellites de la couverture nuageuse comme données d'entrée. Elle a alimenté la machine avec les données collectées pendant vingt ans par les instruments à bord de deux satellites de la Nasa. La Nasa s'est chargée du traitement et de l'analyse des données. "Pour l'apprentissage automatique, nous avons besoin d'un très grand ensemble de données", explique la chercheuse : "Les observations des années 2000 à 2020 nous donnent beaucoup d'assurance quant à l'efficacité de la méthode".
Les nouvelles connaissances doivent maintenant être intégrées dans les modèles climatiques existants. "Nous aimerions motiver l'ensemble de la communauté scientifique à adapter ses modèles à nos observations", explique Wang, qui espère ainsi obtenir de meilleurs modèles climatiques, qui permettront de faire des prévisions plus fiables pour l'avenir.
Elle admet toutefois qu'il ne s'agit que d'une étude pilote. Se baser uniquement sur une éruption volcanique ne suffit pas. C'est pourquoi les chercheurs étudient également d'autres événements au cours desquels les émissions d'aérosols ont augmenté ou diminué, notamment des observations faites avant et pendant la pandémie de Corona. "Nous espérons que notre travail fournira davantage de preuves dans un avenir proche et permettra d'affiner les résultats", conclut Wang.
Corona est un mot-clé qui fait réfléchir Wang. Avant la pandémie, ses parents et ses amis pouvaient lui rendre visite en Grande-Bretagne et elle se rendait en Chine pour les vacances. "Mais maintenant, cela fait trois ans que nous ne nous sommes pas vus", raconte-t-elle : "C'est dur pour moi". Elle est heureuse que, maintenant que la Chine a assoupli ses restrictions, elle puisse planifier son voyage pour les revoir bient?t. Mais avec son mari, qui est actuellement chercheur en climatologie à l'Institut Paul Scherrer, elle se sent aussi bien en Europe.
Se laisser inspirer en route
Pour trouver de nouvelles idées, elle aime faire des randonnées ou voyager avec son mari. C'est ainsi que l'idée d'utiliser l'apprentissage automatique dans la recherche climatique est née d'une discussion lors d'un voyage commun sur la plage de Teignmouth, près d'Exeter.
En tant que spécialiste des nuages, on lui demande souvent si l'on pourrait freiner le réchauffement climatique en créant des nuages artificiels. "Cela s'appelle la géo-ingénierie", explique-t-elle en citant deux propositions qui font l'objet de discussions : On pourrait injecter des aérosols dans la stratosphère ou pomper des particules de sel marin dans les nuages au-dessus de l'océan, "ce qui serait un peu comme un antidouleur, mais pas une solution à long terme". De plus, le système terrestre est si complexe qu'une telle intervention pourrait être très dangereuse : "C'est pourquoi tous les projets de géo-ingénierie ont été suspendus".
Mais elle reste optimiste et voit du bon dans presque tout, même dans les inondations extrêmes, les périodes de sécheresse et les vagues de chaleur qui se multiplient. "Même les gens qui ne croyaient pas au réchauffement commencent à penser que c'est un sujet important", dit-elle, mais sa devise est : "Nous faisons des recherches, nous apprenons et nous nous adaptons".
Référence bibliographique
Chen Y, Haywood J, Wang Y, Malavelle F, Jordan G, Patridge D, Fieldsend J, De Leeuw J, Schmidt A, Cho N, Oreopoulos L, Platnick S, Grosvenor D, Field P, Lohmann U. Machine learning reveals forcing from aerosols is dominated by increased cloud cover. Nature Geoscience 15, 609-614 (2022). page externehttps://doi.org/10.1038/s41561-022-00991-6