CERN’s CLOUD Experiment Provides Unprecedented Insight Into Cloud Formation

The CLOUD results show that trace vapours assumed until now to account for aerosol formation in the lower atmosphere can explain only a tiny fraction of the observed atmospheric aerosol production. The results also show that ionisation from cosmic rays significantly enhances aerosol formation. Precise measurements such as these are important in achieving a quantitative understanding of cloud formation, and will contribute to a better assessment of the effects of clouds in climate models.

“These new results from CLOUD are important because we’ve made a number of first observations of some very important atmospheric processes,” said the experiment’s spokesperson, Jasper Kirkby. “We’ve found that cosmic rays significantly enhance the formation of aerosol particles in the mid troposphere and above. These aerosols can eventually grow into the seeds for clouds. However, we’ve found that the vapours previously thought to account for all aerosol formation in the lower atmosphere can only account for a small fraction of the observations – even with the enhancement of cosmic rays.”

Atmospheric aerosols play an important role in the climate. Aerosols reflect sunlight and produce cloud droplets. Additional aerosols would therefore brighten clouds and extend their lifetime. By current estimates, about half of all cloud droplets begin with the clustering of molecules that are present in the atmosphere only in minute amounts. Some of these embryonic clusters eventually grow large enough to become the seeds for cloud droplets. Trace sulphuric acid and ammonia vapours are thought to be important, and are used in all atmospheric models, but the mechanism and rate by which they form clusters together with water molecules have remained poorly understood until now.

The CLOUD results show that a few kilometres up in the atmosphere sulphuric acid and water vapour can rapidly form clusters, and that cosmic rays enhance the formation rate by up to ten-fold or more. However, in the lowest layer of the atmosphere, within about a kilometre of Earth's surface, the CLOUD results show that additional vapours such as ammonia are required. Crucially, however, the CLOUD results show that sulphuric acid, water and ammonia alone – even with the enhancement of cosmic rays – are not sufficient to explain atmospheric observations of aerosol formation. Additional vapours must therefore be involved, and finding out their identity will be the next step for CLOUD.

“It was a big surprise to find that aerosol formation in the lower atmosphere isn’t due to sulphuric acid, water and ammonia alone,” said Kirkby. “Now it’s vitally important to discover which additional vapours are involved, whether they are largely natural or of human origin, and how they influence clouds. This will be our next job.”

The CLOUD experiment consists of a state-of-the-art chamber in which atmospheric conditions can be simulated with high control and precision, including the concentrations of trace vapours that drive aerosol formation. A beam of particles from CERN’s Proton Synchrotron accelerator provides an artificial and adjustable source of cosmic radiation.

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*The CLOUD (Cosmics Leaving OUtdoor Droplets) experiment is conducted by an international and interdisciplinary collaboration of scientists from Austria (University of Innsbruck, University of Vienna), Finland (Finnish Meteorological Institute, Helsinki Institute of Physics, University of Eastern Finland, University of Helsinki), Germany (Johann Wolfgang Goethe University Frankfurt, Leibniz Institute for Tropospheric Research), Portugal (University of Beira Interior, University of Lisbon), Russia (Lebedev Physical Institute), Switzerland (CERN, Paul Scherrer Institut), the United Kingdom (University of Leeds) and the United States of America (California Institute of Technology).

**CERN, the European Organization for Nuclear Research, is the world's leading laboratory for particle physics. It has its headquarters in Geneva. At present, its Member States are Austria, Belgium, Bulgaria, the Czech Republic, Denmark, Finland, France, Germany, Greece, Hungary, Italy, the Netherlands, Norway, Poland, Portugal, Slovakia, Spain, Sweden, Switzerland and the United Kingdom. One candidate for accession: Romania.

India, Israel, Japan, the Russian Federation, the United States of America, Turkey, the European Commission and UNESCO have Observer status.

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Version française:
PR15.11
25.08.2011
La collaboration CLOUD du CERN jette un nouvel éclairage sur la formation des nuages

Genève, le 25 août 2011. Dans un article publié aujourd’hui dans la revue Nature, la collaboration CLOUD* du CERN** communique ses premiers résultats. L’expérience CLOUD a été conçue pour étudier en laboratoire l’effet des rayons cosmiques sur la formation des aérosols atmosphériques, qui sont de minuscules particules liquides ou solides en suspension dans l’atmosphère. On estime qu’une large part des noyaux de condensation autour desquels se forment les gouttelettes des nuages sont des aérosols atmosphériques. Comprendre le processus de la formation des aérosols est donc important pour comprendre le climat.

Les résultats de l’expérience CLOUD montrent que les vapeurs présentes à l’état de traces auxquelles ont attribuait jusqu’ici la formation des aérosols dans la basse atmosphère ne peuvent expliquer qu’un très faible pourcentage de la production des aérosols atmosphériques observés. Ces résultats révèlent aussi que l’ionisation par les rayons cosmiques favorise considérablement la formation d’aérosols. Ce type de mesures de précision est important pour avoir une compréhension quantitative de la formation des nuages et contribuera à mieux définir les effets des nuages dans les modèles climatiques.

« Ces nouveaux résultats de CLOUD sont importants : nous avons observé pour la première fois certains processus atmosphériques déterminants » explique Jasper Kirkby, le porte-parole de l’expérience. Nous avons trouvé que les rayons cosmiques favorisent nettement la formation de particules d’aérosol au milieu de la troposphère et au-dessus. Par la suite, ces aérosols peuvent devenir les noyaux de condensation des nuages. Cependant, nous avons pu établir que les vapeurs qui étaient considérées comme responsables de la formation de tous les aérosols dans la basse atmosphère ne peuvent expliquer qu’une petite partie des observations, même avec la contribution des rayons cosmiques. »

Les aérosols atmosphériques jouent un rôle important dans le climat. Ils reflètent la lumière solaire et produisent des gouttelettes qui forment les nuages. Des aérosols supplémentaires rendraient donc les nuages plus lumineux et prolongeraient leur durée de vie. Selon les estimations actuelles, environ la moitié de toutes les gouttelettes des nuages prennent naissance par agglutinement de molécules qui sont présentes dans l’atmosphère en quantité infime. Certains de ces amas embryonnaires finissent par devenir suffisamment gros pour devenir des noyaux de condensation autour desquels se forment les gouttelettes des nuages. On suppose que l’acide sulfurique et les vapeurs d’ammoniac à l’état de traces jouent un rôle important. Ils sont utilisés dans tous les modèles atmosphériques, mais le mécanisme proprement dit et leur taux d’agglutinement avec des molécules d’eau restent peu clairs à ce jour.

Les résultats de CLOUD indiquent que, à quelques kilomètres d’altitude, dans l’atmosphère, de l’acide sulfurique et de la vapeur d’eau peuvent rapidement former des amas et que les rayons cosmiques augmentent leur taux de formation d’un facteur dix ou plus. Cependant, dans les couches les plus basses de l’atmosphère, jusqu’à une altitude d’environ mille mètres, les résultats de CLOUD montrent que des vapeurs supplémentaires, notamment de l’ammoniac, sont nécessaires. Surtout, les résultats de CLOUD ont montré que de l’acide sulfurique, de l’eau et de l’ammoniac – même avec l’effet favorable des rayons cosmiques – ne peuvent pas à eux seuls expliquer les observations atmosphériques de la formation des aérosols. Des vapeurs supplémentaires doivent donc entrer en jeu. Leur identification sera la prochaine étape pour CLOUD.

« Nous avons été vraiment surpris de constater que la formation des aérosols dans la basse atmosphère n’est pas due qu’à l’acide sulfurique, à l’eau et à l’ammoniac, explique Jasper Kirkby. Maintenant, il est crucial de découvrir quelles vapeurs supplémentaires entrent en jeu (qu'elles soient essentiellement naturelles ou d'origine humaine) et d'établir comment elles influent sur les nuages. Ça, ce sera notre prochain travail. »

L’expérience CLOUD prend la forme d’une chambre de dernière génération dans laquelle les conditions atmosphériques peuvent être simulées avec une haute précision et où il est possible de régler les concentrations de vapeurs à l'état de traces qui entraînent la formation des aérosols. Un faisceau de particules accélérées dans le Synchrotron à protons du CERN fournit une source artificielle ajustable de rayonnement cosmique.

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*L’expérience CLOUD (Cosmics Leaving OUtdoor Droplets – rayons cosmiques créant des gouttelettes) est menée par une collaboration internationale interdisciplinaire de scientifiques d’Autriche (Université d’Innsbruck et Université de Vienne), de Finlande (Institut finlandais de météorologie, Institut de physique d’Helsinki, Université de Finlande orientale et Université d’Helsinki), d’Allemagne (Université Johann Wolfgang Goethe de Francfort et Institut Leibniz pour la recherche troposphérique), du Portugal (Université de Beira intérieur et Université de Lisbonne), de Russie (Institut de physique Lebedev), de Suisse (CERN et Institut Paul Scherrer), du Royaume-Uni (Université de Leeds) et des États-Unis d'Amérique (Institut de technologie de Californie ).
**Le CERN, Organisation européenne pour la Recherche nucléaire, est le plus éminent laboratoire de recherche du monde en physique des particules. Il a son siège à Genève. Ses États membres actuels sont les suivants : Allemagne, Autriche, Belgique, Bulgarie, Danemark, Espagne, Finlande, France, Grèce, Hongrie, Italie, Norvège, Pays-Bas, Pologne, Portugal, République slovaque, République tchèque, Royaume-Uni, Suède, Suisse. La Roumanie est candidate à l’adhésion.

Les États-Unis d’Amérique, la Fédération de Russie, l’Inde, Israël, le Japon, la Turquie, la Commission européenne et l’UNESCO ont le statut d’observateur.