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Pour Christoph Schär, professeur en climat et cycle de l'eau à l'ETH Zurich, le terme «réchauffement planétaire» n'est pas tout à fait exact lorsqu'il s'agit de décrire le moteur du changement climatique. «Il serait plus juste de parler d'humidification du climat», explique-t-il. «La majeure partie de l'énergie solaire qui atteint la Terre sert à l'évaporation de l'eau et alimente ainsi le cycle hydrologique.» La prise en compte correcte des implications de ce phénomène est la tâche la plus difficile pour les modélisateurs du climat. Pour construire un modèle climatique mondial, on utilise des points de grille espacés d'environ 50 à 100 kilomètres. Cette échelle est trop grossière pour cartographier les cellules orageuses locales à petite échelle. Or, ce sont précisément ces cellules orageuses - et l'endroit où elles se produisent - qui déterminent la circulation atmosphérique, en particulier sous les tropiques, où le rayonnement solaire est le plus élevé.
Pour l'instant, la solution consiste à ajouter des paramètres supplémentaires au modèle afin de cartographier les nuages. «Mais la prévision du changement climatique futur reste assez imprécise», explique Christoph Schär. «Si nous ne savons pas combien de nuages se forment dans les tropiques, nous ne savons pas quelle quantité de lumière solaire atteint la surface de la terre - et donc nous ne connaissons pas la taille réelle de l'équilibre énergétique mondial.»
Une précision étonnante
Au cours des prochaines années, les scientifiques espèrent remédier à cette imprécision. Christoph Schär, par exemple, travaille actuellement avec des modèles à une résolution beaucoup plus élevée - 1 à 2 kilomètres - qui donnent une image beaucoup plus précise de l'activité météorologique. Pour illustrer cela, lui et son groupe exécutent une séquence sur un superordinateur qui simule les événements météorologiques dans l'Atlantique tropical sur une période allant de quelques années à quelques dizaines d'années. La visualisation ressemble étrangement à une image satellite : les fronts pluvieux se déplacent d'est en ouest à travers l'Afrique ; des champs de nuages finement structurés se forment au large des côtes brésiliennes ; des ouragans se développent au milieu de l'Atlantique et se dirigent ensuite vers le nord. «Le modèle ne sait rien du tout du climat tropical», s'enthousiasme Christoph Schär. «Mais en se basant sur les seules lois de la physique, il peut tout de même nous donner une image réaliste de ce qui se passe !» Il n'est pas encore possible de créer des scénarios à long terme avec des modèles à si haute résolution, mais ils permettent de rendre les modèles globaux actuels plus précis.
À l'aide de l'exemple du sud-ouest de l'Europe, Christoph Schär montre que les modèles à haute résolution permettent également de prévoir avec beaucoup plus de précision les phénomènes météorologiques extrêmes. Les modèles actuels sous-estiment considérablement la quantité de pluie qui peut tomber en une heure. En revanche, les modèles à haute résolution génèrent des distributions très réalistes et identifient correctement qu'en automne, par exemple, il y a une forte probabilité de précipitations particulièrement fortes et d'inondations sur la bordure méridionale des Alpes, le long de la côte ligure et en Provence.
Les projections actuelles de précipitations extrêmes sont conformes à une loi physique formulée au XIXe siècle par Rudolf Clausius et Émile Clapeyron. «Il et elle ne faisaient que de la recherche fondamentale», explique Christoph Schär. «Les applications pratiques dans le domaine du changement climatique n'étaient même pas envisagées à l'époque.» La relation Clausius-Clapeyron indique que l'atmosphère peut contenir environ 6% de vapeur d'eau en plus par degré Celsius de réchauffement. En d'autres termes, on peut s'attendre à ce que les précipitations soient beaucoup plus abondantes à l'avenir. «Cela aura des conséquences sur la prévention des inondations», explique Christoph Schär. «Nous ne pourrons plus concevoir la protection contre les inondations sur la base des événements passés.»
Les lois de la physique nous disent qu'une atmosphère plus chaude absorbera davantage de vapeur d'eau. Malgré cela, de nombreuses régions devraient souffrir d'une pénurie d'eau. Christoph Schär explique ce paradoxe apparent : «La teneur absolue en eau de l'atmosphère augmente globalement, mais l'humidité relative peut également diminuer au niveau régional. En d'autres termes, plus d'eau s'évaporera du sol, mais dans le même temps, la formation de nuages diminuera également dans certaines régions, où il y aura alors moins de précipitations». Cette situation aura de graves conséquences non seulement pour l'Europe du Sud, selon Christoph Schär, mais aussi pour les pays d'Afrique du Nord, qui sont déjà confrontés à des pénuries d'eau.
Inondations et incendies de forêt
Trop d'eau, ou pas assez, est également une préoccupation majeure pour l'hydrologue Manuela Brunner. Professeure assistante à l'ETH Zurich, elle se concentre sur l'impact des événements climatiques extrêmes sur les régions montagneuses. «L'eau de montagne joue un rôle central dans le développement des inondations et des sécheresses», explique-t-elle. «Et les montagnes sont particulièrement touchées par le changement climatique parce que les températures y augmentent plus que dans les régions de plaine».
Pour déterminer si les inondations risquent de devenir plus fréquentes et plus intenses à l'avenir, Manuela Brunner utilise une combinaison de données d'observation et de simulations basées sur des modèles. «Dans les Alpes, le tableau est très contrasté en ce qui concerne les inondations modérées qui se produisent généralement une fois tous les 10 à 20 ans», explique-t-elle. «Dans certaines régions, ce risque a augmenté ; dans d'autres, il est en fait en train de diminuer.» L'un des facteurs clés est l'état du sol : «Si le sol est sec, il peut absorber beaucoup d'eau et atténuer ainsi les inondations. Mais si le sol est déjà saturé, cet effet est perdu».
Toutefois, Manuela Brunner s'attend à une augmentation du risque d'inondations centennales extrêmes dans l'ensemble de la région alpine. «Dans ce cas, les précipitations sont si abondantes que l'état du sol ne change pas grand-chose», explique-t-elle. Et si nous connaissons les facteurs individuels qui peuvent provoquer des inondations, explique-t-elle, nous ne comprenons toujours pas comment ils interagissent. «Que se passe-t-il, par exemple, en cas de fortes pluies pendant la fonte des neiges ? «Quand cela se transforme-t-il en un événement extrême ? Et quelle est la fréquence de cette combinaison ?»
Les inondations ne sont pas la seule menace qui pèse sur la région alpine. «À l'avenir, nous assisterons à des périodes de sécheresse plus fréquentes sur le flanc nord des Alpes et peut-être même à des incendies de forêt», explique Manuela Brunner. Plusieurs facteurs entrent en ligne de compte : premièrement, les précipitations estivales diminuent ; deuxièmement, l'évaporation du sol augmente en raison de la hausse des températures ; troisièmement, l'enneigement printanier diminue, ce qui a pour effet de favoriser le dessèchement de la végétation.
«Bien que les précipitations des mois d'hiver augmentent généralement, la hausse des températures signifie que de moins en moins de ces précipitations sont stockées sous forme de neige», explique Manuela Brunner. «S'il y a moins de neige au printemps, alors que nous entrons dans les mois les plus chauds, cela peut aggraver les pénuries d'eau pendant les étés secs.»
Manuela Brunner est particulièrement alarmée par la perspective de périodes de sécheresse s'étalant sur plusieurs années. «Dans le passé, nous n'avions pas à nous inquiéter après un été sec dans les Alpes, car il y avait toujours suffisamment de précipitations à la fin de l'hiver suivant pour compenser», dit-elle. «Mais à l'avenir, les pénuries d'eau pourraient en fait s'aggraver au cours de l'hiver.»
À quelle vitesse les glaciers fondent-ils ?
De plus, il est clair que les glaciers ne fourniront bientôt plus la même quantité d'eau de fonte en été que par le passé. Dans le meilleur des cas, la Suisse aura encore 40% du volume actuel de ses glaciers en 2100», explique Daniel Farinotti, professeur de glaciologie à l'ETH Zurich, «dans le pire des cas, il n'en restera que quelques pourcents». Quoi qu'il en soit, il est confiant dans la capacité de la Suisse à suivre ces changements : «Nous savons exactement quelle quantité de glace il reste, car nous avons déjà effectué des relevés radar sur la plupart des glaciers».
Les choses sont plus compliquées dans l'Himalaya, où Daniel Farinotti et son équipe mènent également un projet. Là, les glaciers se trouvent à une altitude beaucoup plus élevée, ce qui rend les relevés plus difficiles. Par ailleurs, les pays environnants sont réticents à fournir des données pour la recherche, pour des raisons stratégiques et géopolitiques. Les prévisions concernant la date du pic de fonte des glaciers dans l'Himalaya peuvent donc varier d'une dizaine d'années. «Pour les basses terres, qui sont beaucoup plus densément peuplées, cela fait une énorme différence», explique-t-il.
En Suisse aussi, il est urgent de connaître la quantité d'eau qui proviendra de la fonte des glaciers à l'avenir, notamment parce que les concessions de plusieurs centrales hydroélectriques doivent être renouvelées dans les prochaines années. Ces exploitants ont non seulement besoin de connaître la quantité d'eau qui sera mise à leur disposition à l'avenir, mais ils ont également besoin de prévisions détaillées concernant les phénomènes météorologiques extrêmes. «Ils s'inquiètent de savoir si les prises d'eau ont une capacité suffisante», explique Daniel Farinotti.
Une autre question est encore plus préoccupante : la fonte des calottes glaciaires. «Dans notre groupe, nous construisons actuellement un modèle d'écoulement détaillé de la calotte glaciaire du Groenland, entièrement basé sur des processus physiques», explique Daniel Farinotti. «Nous cartographions les masses de glace avec une résolution de 25 mètres afin d'évaluer ce qu'il adviendra de l'inlandsis au cours des prochaines décennies. Pour réaliser cette simulation complexe, l'équipe utilisera LUMI, le superordinateur le plus rapide d'Europe.
Avec d'autres chercheuses et chercheurs, le groupe de Daniel Farinotti étudie également la calotte glaciaire de l'Antarctique, qui est confrontée à un certain nombre de menaces. L'inlandsis de l'Antarctique occidental, qui repose sur un socle rocheux situé sous la surface de l'océan, pose notamment problème. «La topographie de ce socle rocheux joue un rôle clé dans la vitesse de retrait de la glace», explique-t-il. Il s'agit sans aucun doute d'une question vitale pour un certain nombre de régions côtières dans le monde. «Si l'inlandsis de l'Antarctique occidental commence à fondre, le niveau des mers pourrait augmenter d'un mètre d'ici la fin du XXIe siècle», explique Daniel Farinotti. Avec 250 millions de personnes vivant dans des zones qui seraient alors submergées, il n'est pas nécessaire de se demander pourquoi l'avenir des inlandsis polaires est aussi important à des latitudes plus basses.