Cloud computing et réflexion sur le ciel bleu : un scientifique de l’atmosphère éclaire la science des nuages ​​dans le ciel de la Terre et au-delà

L’étude de la physique et de la microphysique de la formation et du comportement des nuages ​​en laboratoire aide les scientifiques à comprendre notre propre planète et ces années-lumière

WEST LAFAYETTE, Ind. – Alexandria Johnson fait de la science dure sur le sujet le plus nébuleux : les nuages. En tant que scientifique de l’atmosphère et professeure adjointe de pratique au College of Science de l’Université Purdue, elle étudie les nuages ​​où qu’ils se trouvent : dans son laboratoire, sur Terre, dans tout le système solaire et dans la galaxie.

« La chose la plus cool dans mes recherches est que je peux voir des nuages ​​tous les jours », a déclaré Johnson. « Je peux regarder dans notre propre atmosphère et les voir changer et évoluer. Ensuite, je peux prendre ces connaissances et les appliquer à d’autres corps planétaires, à la fois à l’intérieur et à l’extérieur de notre système solaire.

La science des nuages ​​couvre beaucoup de terrain. Ses recherches mettent en lumière des sujets allant des précipitations et des précipitations microplastiques dans l’Indiana aux climats des lunes et des planètes bien en dehors du domaine de l’expérience humaine.

Étudier les nuages ​​à l’état sauvage peut être difficile. La scientifique atmosphérique Alexandria Johnson utilise des lasers et des environnements contrôlés pour étudier les versions développées en laboratoire : des particules qui se comportent comme des nuages ​​miniatures et l’aident à explorer la physique et la microphysique des nuages. (Université Purdue/John Underwood) Télécharger l’image

Des nuages ​​dans une bouteille et une tempête dans une tasse de thé

L’étude des nuages ​​dans leur environnement naturel peut être complexe et soumise aux variations du climat, de la météo et des dispositifs d’observation. La solution de Johnson est de créer ses propres nuages ​​​​maison pour les étudier dans son laboratoire du Département des sciences de la Terre, de l’atmosphère et des planètes. Elle dépouille les systèmes jusqu’à leurs bases pour bien comprendre comment les particules qui composent les nuages ​​se forment, se développent et interagissent avec leur environnement. Rien dans son laboratoire ne ressemble réellement à un nuage ; il n’y a pas de brumes tourbillonnant pittoresquement dans des bouteilles en verre. Il s’agit principalement de lasers et de grosses boîtes noires. Mais le comportement de ces particules de nuages ​​​​basées en laboratoire imite le comportement des particules de nuages ​​​​dans des nuages ​​massifs balayant le ciel, uniquement en miniature.

« Bien sûr, nous ne les cultivons pas à peu près à la même échelle que vous voyez dans une atmosphère », a déclaré Johnson. « Au lieu de cela, nous pouvons prendre une particule représentative d’un nuage, pomper différents gaz et modifier la température et la pression du système. Nous regardons ensuite cette particule grossir, rétrécir ou changer de phase avec le temps, des processus qui se produisent partout dans les nuages.

Les nuages ​​sur Terre ne se forment pas souvent sans l’aide d’un noyau ou d’une particule, et dans certains cas, ce qui serait considéré comme un noyau sur Terre peut être un nuage exotique ailleurs. Les particules du laboratoire de Johnson, comme toutes les particules, ont une charge. Johnson et son équipe utilisent un champ électrique pour faire léviter et contenir les particules individuelles afin qu’elles ne puissent pas se déplacer. Ces particules sont ensuite stables pendant de longues périodes, ce qui permet des expériences de recherche à long terme, où la pression, la température, le champ électrique et l’éclairage laser peuvent être modifiés et les observations enregistrées. D’autres méthodes s’appuient sur celles-ci pour permettre à l’équipe d’examiner des groupes de particules et d’observer comment elles diffusent et polarisent la lumière.

En utilisant des méthodes comme celles-ci, Johnson peut étudier comment les nuages ​​se forment et ce que différentes formes et compositions de particules de nuages ​​peuvent révéler, et elle est capable de comprendre les conditions qui conduisent à différents types et comportements de nuages. Comme les ingénieurs aéronautiques utilisant une soufflerie pour observer comment les courants se déplacent autour des structures, Johnson utilise ces particules pour comprendre la microphysique qui sous-tend des systèmes vastes et complexes.

De nombreux scientifiques – climatologues, météorologues et planétologues, pour n’en nommer que quelques-uns – étudient les nuages ​​dans le cadre de leurs recherches plus larges. Mais Johnson est l’un des rares à étudier la physique particulière des nuages ​​en laboratoire.

« Nous ne sommes pas nombreux à creuser dans la microphysique de la formation des nuages », a déclaré Johnson. « Quiconque étudie l’atmosphère a une connaissance générale des nuages. Mais aucun de ces systèmes ne fonctionne sans la physique. Nous devons comprendre la microphysique pour vraiment saisir les complexités et les implications.

Chaque nuage a une ligne argentée

C’est une blague de longue date que les nuits d’événements astronomiques notables sur Terre semblent être presque surnaturellement disposées à être nuageuses. C’est aussi vrai pour les autres planètes.

À l’aide d’énormes télescopes avancés et extrêmement puissants, les astronomes peuvent scruter des kilomètres et des années-lumière d’espace juste pour trouver des nuages ​​bloquant leur vue de la planète elle-même. Plutôt que la surface de la planète, ils ne peuvent percevoir que l’atmosphère opaque qui l’enveloppe.

Chaque corps planétaire du système solaire qui a une atmosphère dense, et beaucoup à l’extérieur, a des nuages ​​dans cette atmosphère. Même les corps avec des atmosphères minces, vaporeuses ou intermittentes – comme Pluton – ont des particules suspendues dans l’atmosphère qui, bien qu’il ne s’agisse pas de vrais nuages, sont une brume de particules et partagent de nombreuses propriétés des nuages.

« Les nuages ​​sont une caractéristique omniprésente des atmosphères planétaires », a déclaré Johnson. « C’est quelque chose que nous avons vu depuis notre propre système solaire, et quand nous regardons les atmosphères d’exoplanètes, il n’est pas surprenant que nous y trouvions aussi des nuages. Malheureusement, ils ont tendance à bloquer notre vision de l’atmosphère qui se trouve en dessous.

Les scientifiques ont pu envoyer des sondes et des rovers vers des voisins planétaires proches, dont Vénus et Mars. Mais pour les corps qui sont plus éloignés, y compris les exoplanètes – des planètes entièrement dans d’autres systèmes stellaires – les scientifiques doivent trouver des moyens intelligents de mener la science.

« Les astronomes trouvent que les nuages ​​sont une gêne. Ils obtiennent les données qu’ils veulent, qu’il s’agisse de connaître la surface de la planète ou sa composition atmosphérique », a déclaré Johnson. « Nous le voyons un peu différemment. Oui, ils sont là. Nous ne pouvons pas nous en débarrasser. Utilisons donc notre compréhension des nuages ​​sur Terre et des atmosphères planétaires de notre système solaire pour en savoir plus sur ces choses que nous ne pouvons pas observer sur les exoplanètes.

La plupart des planètes étudiées par Johnson sont des planètes « cool ». Alors que la Terre semble douce (avec des températures planétaires moyennes d’environ 60 degrés Fahrenheit), elle est en fait froide selon les normes planétaires, contrairement aux grandes géantes gazeuses en orbite près de leurs étoiles comme les Jupiter chauds.

Johnson et son équipe accumulent des informations sur les corps planétaires du système solaire ou des exoplanètes terrestres. Les astronomes peuvent collecter des données spectrographiques pour analyser les composés chimiques qui composent l’atmosphère et utiliser des modèles mathématiques, des observations et des études de gravitation pour déterminer la masse, la vitesse et l’orbite d’une planète. En combinant ces informations avec les connaissances de ses études en laboratoire, Johnson peut aider les astronomes à déterminer à quoi pourrait ressembler l’atmosphère d’une planète et à extrapoler ses chances d’accueillir la vie.

« Nos grandes questions sont quand, où et pourquoi les nuages ​​se forment-ils dans ces atmosphères ? dit Johnson. « Si nous voulons comprendre ces exoplanètes enveloppées, nous devons comprendre les nuages. Cette compréhension nous donne un aperçu de la chimie atmosphérique à l’œuvre, de la circulation atmosphérique et du climat. D’une certaine manière, nous vérifions au sol les observations astronomiques.

Des deux cotés maintenant

Johnson regarde également les nuages ​​​​d’en bas, un peu plus près de chez lui. Dans une étude en cours, elle examine le rôle que jouent les microplastiques dans la formation des nuages. La pollution par les microplastiques, qui a été trouvée un peu partout, y compris de grandes masses d’eau comme les Grands Lacs, peut former une partie des nuages ​​ou être balayée par les précipitations, puis inonder le paysage de pluies torrentielles et de chutes de neige. Ces microplastiques ont des implications désastreuses pour la santé des écosystèmes, la santé humaine et l’agriculture.

Comprendre comment ils s’attachent aux nuages, se déplacent à travers les systèmes météorologiques et impactent le paysage lorsqu’ils sont déposés peut aider Johnson et son équipe à protéger la vie sur Terre, tout comme ils explorent la possibilité de conditions vivables sur d’autres planètes.

« C’est la même physique », a déclaré Johnson. « Ce sont les mêmes processus, partout dans l’univers, et cela m’apporte énormément d’émerveillement et de joie. En tant que majeure en physique de premier cycle, j’ai choisi un projet de recherche senior étudiant la façon dont les gouttelettes d’eau gèlent dans des conditions variables. J’ai littéralement regardé une gouttelette geler des centaines de fois pour étudier le processus et j’ai été ravi. J’ai dit : ‘C’est ce que je veux faire de ma vie. Ceci est incroyable. Je veux étudier les nuages.’”

À propos de l’Université Purdue

L’Université Purdue est une institution de recherche publique de premier plan qui développe des solutions pratiques aux défis les plus difficiles d’aujourd’hui. Classée au cours de chacune des cinq dernières années comme l’une des 10 universités les plus innovantes des États-Unis par US News & World Report, Purdue propose des recherches révolutionnaires et des découvertes hors du commun. Engagé dans l’apprentissage pratique et en ligne, dans le monde réel, Purdue offre une éducation transformatrice à tous. Engagé en faveur de l’abordabilité et de l’accessibilité, Purdue a gelé les frais de scolarité et la plupart des frais aux niveaux de 2012-2013, permettant à plus d’étudiants que jamais d’obtenir leur diplôme sans dette. Voyez comment Purdue ne s’arrête jamais dans la poursuite persistante du prochain pas de géant à https://stories.purdue.edu.

Contact écrivain/médias : Bretagne Steff, bsteff@purdue.edu

Source: Alexandria Johnson, avjohns@purdue.edu