Certains y devinent des animaux, des visages ou des paysages ; d’autres n’y voient qu’un banal phénomène météorologique. Mais pour les scientifiques qui les étudient, les nuages relèvent d’une tout autre complexité. Systèmes chimiques et biologiques en perpétuelle transformation, ils influent sur la qualité de l’air et des sols et participent, de façon encore mal comprise, aux fragiles équilibres du climat.
Un observatoire au sommet du puy de Dôme
Pour en percer les mécanismes, Laurent Deguillaume, de l’Observatoire de physique du globe de Clermont-Ferrand, mène depuis plus de vingt ans ses recherches au sommet du puy de Dôme, à 1 465 mètres d’altitude. La chaîne des Puys forme une barrière contre laquelle butent les masses d’air. Avec son équipe, le chercheur y prélève l’eau des nuages, dont l’analyse mobilise physiciens, chimistes et biologistes pour mieux comprendre ce qu’ils captent, transportent et transforment.
La substance des nuages : une illusion
La première surprise tient à leur substance même. Face à un cumulonimbus, nous croyons voir une immense masse d’eau en suspension. Cette impression est trompeuse. « Dans un mètre cube de nuage, il y a moins d’un gramme d’eau, souligne Laurent Deguillaume. Si de telles formations peuvent pourtant occasionner des précipitations intenses, c’est parce qu’elles s’étendent sur des volumes pouvant atteindre quelques milliers de milliards de mètres cubes pour les nuages les plus imposants, comme les cumulonimbus. »
Comment naissent ces myriades de gouttelettes ? Le froid et l’humidité sont indispensables mais ne suffisent pas. « Pour former un nuage, il faut un petit support solide, une poussière, un grain en suspension dans l’air, ce que nous, scientifiques, nous appelons un aérosol », explique le chercheur. Qu’il s’agisse d’un cristal de sel marin soulevé par les embruns ou d’une microparticule issue des activités humaines, cette infime surface d’accroche est indispensable à la vapeur d’eau pour passer de l’état gazeux à l’état liquide.
Des témoins de l’histoire de l’air
Né autour de particules en suspension, puis entraîné au gré des vents, le nuage capte aussi une partie de ce qu’il traverse. « En se déplaçant dans l’air, le nuage va lessiver les gaz qu’il rencontre, qu’ils soient naturels ou issus de sources anthropiques », résume Laurent Deguillaume, qui le décrit comme un milieu capable de dissoudre de nombreux composés chimiques.
Pour analyser cette captation, l’équipe clermontoise a d’abord travaillé avec des collecteurs conçus par des collègues autrichiens. Puis, il y a une dizaine d’années, elle a mis au point son propre dispositif, capable de prélever davantage d’eau et de mieux répondre aux besoins des analyses, notamment biologiques. Baptisé « Boogie », du nom du chien qui accompagnait Laurent Deguillaume lors de ses campagnes sur le terrain, l’appareil est aujourd’hui utilisé par d’autres équipes, en France comme à l’étranger.
Concrètement, Boogie aspire l’air à très haute vitesse et projette les gouttelettes microscopiques sur des plaques de métal pour les récupérer. L’équipe ne peut toutefois procéder à ce type de collecte que 10 à 20 fois par an, lorsque s’alignent des conditions météorologiques très précises – un nuage suffisamment stable, du vent mais pas trop, pas de pluie et une température assez clémente pour éviter que l’eau ne gèle dans le dispositif.
Les scientifiques recueillent alors cette eau pour en analyser la composition. Ils peuvent ainsi reconstituer le trajet des masses d’air à l’origine du nuage. « Sa signature chimique est très liée à l’histoire des masses d’air », souligne le physicien. Un nuage venu de l’ouest portera la trace d’un passage océanique, avec la présence de sel marin ; un flux venu du nord-est révélera plus souvent une pollution continentale ou industrielle.
Grâce aux progrès de l’analyse, des milliers de composés chimiques peuvent aujourd’hui être détectés dans un seul échantillon. L’équipe a ainsi mis en évidence, dans l’eau des nuages, la présence de pesticides. « Parmi les molécules détectées, certaines étaient interdites depuis le début des années 2000, ce qui montre qu’elles sont persistantes et transportées. Bien qu’il s’agisse de concentrations très faibles, l’eau de certains nuages dépassait la limite européenne de potabilité », précise Laurent Deguillaume.
Du vivant en suspension
Mais les nuages ne transportent pas seulement des composés chimiques : ils abritent aussi du vivant. Entraînés depuis les sols, la végétation, les bactéries, les champignons et autres microbes se retrouvent eux aussi en suspension dans l’eau du nuage. Or les analyses conduites à Clermont-Ferrand suggèrent qu’une partie d’entre eux survit à ce voyage et pourrait y conserver une activité.
Autrement dit, loin d’être inertes, ces micro-organismes seraient capables de se nourrir et de transformer chimiquement les éléments qui les entourent. De là à parler d’écosystème, il y a un pas que le chercheur ne franchit pas. « Pour parler d’écosystème, il faudrait savoir si les micro-organismes interagissent entre eux, ce qui est difficile à dire », nuance Laurent Deguillaume. Car la courte durée de vie d’un nuage – de quelques heures à quelques dizaines d’heures – et l’instabilité physique des gouttelettes, qui se mélangent en permanence, laissent peu de temps pour que de telles relations se mettent en place. En interaction avec la lumière solaire et la matière organique, ces micro-organismes n’en sont pas moins capables de consommer certains composés et d’en produire de nouveaux, contribuant ainsi à modifier la composition chimique du nuage.
Le défi de la modélisation
Ce laboratoire volant ne dure toutefois qu’un temps. Toute cette activité interne cesse avec la dissipation du nuage. Le plus souvent, celui-ci disparaît dans l’atmosphère, relâchant des gaz et des particules transformés par leur passage en altitude. L’autre issue est la précipitation : en tombant, la pluie ramène au sol une partie de cette charge chimique et biologique, qu’il s’agisse de polluants ou de micro-organismes parfois transportés sur de longues distances.
Comprendre finement ces phénomènes est déjà un défi ; les intégrer à l’échelle planétaire en est un autre, plus vertigineux encore. Nuages et aérosols figurent parmi les principales sources d’incertitude des modèles climatiques examinés par le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (Giec). Selon leur nature, ils peuvent contribuer à refroidir l’atmosphère, en renvoyant une partie du rayonnement solaire vers l’espace, ou, au contraire, à la réchauffer, en piégeant le rayonnement émis par la Terre.
Et représenter dans des modèles globaux des phénomènes aussi fugaces, hétérogènes et localisés n’est pas une sinécure. Laurent Deguillaume le concède volontiers : ses recherches sur les mécanismes à l’œuvre dans les nuages sont encore « très en amont » de la modélisation climatique. Elles n’en constituent pas moins un socle indispensable. Car avant d’en évaluer l’impact climatique à l’échelle du globe, encore faut-il en saisir les principes fondamentaux. Un travail de patience que le chercheur et ses collègues poursuivent au sommet du puy de Dôme, goutte après goutte, pour éclairer une part de cette incertitude climatique.
