mardi 18 février 2014

Waterworld

Introduction 


Prévision MétéoBelgique vous avez déjà présenté ici même un bref aperçu des événements marquants de cet Hiver :

http://previsionsmeteobelgique.blogspot.fr/2014/02/lhiver-2014-de-tout-les-exces.html

La situation est à ce point remarquable que les médias commencent même à s'emparer du sujet :

http://www.lesoir.be/469150/article/actualite/sciences-et-sante/2014-02-16/rechauffement-arctique-modifierait-climat-en-amerique-du-nord-et-en-europe

http://www.rtbf.be/info/monde/detail_le-rechauffement-arctique-modifierait-le-climat-aux-usa-et-en-europe?id=8202202

Le ton très prudent de l'article ne doit cependant pas masquer le fait qu'un changement climatique est bien en cours. La théorie a commencé à prendre forme il y a une dizaines d'années. Prévision MétéoBelgique soutient ces thèses depuis sa fondation ( http://previsionsmeteobelgique.blogspot.fr/2013/03/mars-2013-froid-loscillation-arctique.html ou http://previsionsmeteobelgique.blogspot.fr/2012/10/fonte-record-dans-larctique-et.html ). Et chaque année qui passe ne fait que renforcer la convergence des preuves. De plus en plus souvent, le jet semble se comporter bizarrement. La circonspection des scientifiques tient surtout à la problématique de l'attribution.
Si un fumeur de longue date meurt d'un cancer du poumon, spontanément nous lions sa maladie à son tabagisme. Pour autant, il n'existe aucune preuve formelle qu'il est malade du tabac. Les scientifiques se contentent de dire qu'en toute généralité, fumer augmente le risque de développer un cancer. Les humains, depuis la nuit des temps, ont toujours eu des cancers. Et peut être que le fumeur pris en exemple aurait eu un cancer même si il n'avait jamais approché une cigarette.
Pour le changement climatique, nous avons le même problème. Des événements météorologiques extrêmes se produisent depuis la nuit des temps. Et les scientifiques se bornent à dire que le changement climatique augmente la probabilité d'événements extrêmes. Sur un hiver ponctuellement, il est très délicat de faire le lien avec le réchauffement global. Pour autant, nous nous doutons bien que ce n'est pas juste la faute à "pas de chance" si nous enchainons ainsi les bizarreries en tous genres depuis une quinzaine d'années. Il est bien impossible d'établir un lien formel entre le réchauffement climatique et les événements de cet Hiver, expliquant le ton prudent de l'article. Pour autant, les changements sont consistants avec l'évolution attendue, et cela ne risque pas de s'arranger avec les années qui passent.

Ici nous parlerons en particulier de la façade Ouest de l'Europe, qui connait des inondations régulières. Que ce soit la mer qui envahit les terres :


ou les rivières qui débordent : 


Chaleur et humidité


Nous parlerons beaucoup physique dans cette partie, mais nous tenterons de rester le plus simple possible. Pour bien commencer, clarifions l'idée de pression. La pression d'un gaz est en fait la manifestation de son poids. Plus la masse d'un gaz est élevé, plus sa pression est importante. La répartition de la pression à la surface de la Terre (la succession des dépressions et des anticyclones) est donc essentiellement une répartition de la masse à la surface de la Terre.

Nous allons donc expliquer un peu plus en détail les mécanismes physiques en jeu. Cependant, si vous voulez éviter de lire un grand paragraphe de physique, vous pouvez terminer de lire ce passage, et passer au graphique de la température et masse de vapeur d'eau à 925 hPa. L'idée forte est donc : 

Plus l'air est chaud, plus il peut contenir de vapeur d'eau. 

Le sujet est posé de suite, mais ne craignez rien nous allons nous expliquer. 
Une loi physique découverte il y a plus de deux siècles déjà, explique que l'équilibre entre la phase vapeur et la phase liquide d'un composé chimique dépend essentiellement de la température.
Qu'est ce que cela veut dire en français ? 

En fait, la matière peut exister sous forme solide, liquide ou gazeuse. L'eau par exemple se rencontre sur Terre sous la forme solide ( la glace ), sous forme liquide ( l'eau ) et sous forme gazeuse ( vapeur ). Le cycle de l'eau illustre bien la coexistence de ces différents états. L'eau des mers, lacs et rivières s'évaporent dans l'atmosphère. La vapeur d'eau forment alors des nuages, qui précipitent soit en neige, soit en pluie. 


L'eau existe ainsi sur Terre sous tout les états. Il existe assez peu d'autres composés qui puissent changer d'état aux températures habituelles. Les métaux, solides, peuvent par exemple devenir liquides mais seulement après un chauffage important (au moins 1000°C en général). Une exception notable est le mercure qui lui est normalement liquide. Cependant, le mercure solide est quelque chose de nettement moins courant alors... Le mercure liquide a été utilisé pour les thermomètres. Il est reconnaissable à son aspect liquide et argenté : 

Ensemble de thermomètres à mercure. Source wikipedia : http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Kwikthermometers.jpg
Notons un point alors important. Il est parfois question de "vapeur de mercure". En effet, dans un thermomètre, le sommet du tube n'est pas vide. Le mercure s'évapore spontanément pour occuper tout le volume. Il y a donc toujours dans un thermomètre du mercure gazeux. Lorsque le thermomètre est brisé, sans même toucher le liquide, nous pouvons respirer des vapeurs. Les effets sur la santé sont alors particulièrement sympathique... Nous ne pouvons pas voir les vapeurs. Par contre nous pouvons voir l'interface entre la phase liquide et vapeur. Ou, dit plus prosaïquement, le niveau de mercure dans le thermomètre. 
Pour revenir à l'eau, elle a donc cette particularité de pouvoir être à la fois solide, liquide, et vapeur. 

La question qui se pose alors est de savoir sous quelle(s) conditions l'eau change d'état. Quels sont les "seuils" qui déterminent le passage d'une phase à l'autre ? Ce diagramme montre que la limite entre deux phases est seulement fonction de la température et de la pression : 

Diagramme de phase de l'eau, source wikipedia : http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Diagramme_de_phases_de_l'eau.svg
Déjà, prenons nos repères dans ce diagramme. La température est indiqué en degré Celsius en bas et en rouge. Sur Terre, les températures vont classiquement de -60°C (en Sibérie et en Antarctique) à +50°C (dans les déserts chauds, notamment le Sahara), avec quelques extrêmes plus appuyés localement. Dans cette gamme de température, les trois phases de l'eau sont bien possibles. 
Pour l'autre axe, l'axe vertical, il s'agit de la pression. Elle est indiqué à gauche -en rouge à nouveau- en bar. Une pression de 1 bar correspond à la pression atmosphérique. 
Remarquons qu'à 0°C et une atmosphère, l'eau gèle. Et qu'à 100°C et une atmosphère, l'eau bout. Cela correspond bien à ce que nous savons. L'eau bout à 100°C, l'eau gèle à 0°C. 

Parlons déjà de la phase liquide. La masse des océans, des lacs et des rivières est essentiellement constitué d'eau. Il arrive par temps froid que cette masse gèle. Nous parlerons de banquise si il s'agit de la mer, et simplement de glace dans les autres cas. 
Cependant, à la surface de ce liquide, l'eau s'évapore spontanément pour occuper l'ensemble du volume atmosphérique. Un peu comme un thermomètre de mercure, où il se forme une interface entre la phase liquide et vapeur. L'équilibre entre la phase liquide et vapeur est essentiellement du à la température ambiante. 
Précisons un point en particulier. Par exemple, à 25°C, la pression de vapeur est normalement d'environ 30 hPa (30 millibars, 3 centièmes de la pression atmosphérique). Cela n'indique pas que la pression atmosphérique est de 30 hPa (cela ferait une sacrée foutue dépression...). La pression est toujours d'environ 1 bar ( 1000 hPa ), et il n'y a pas de raison qu'elle bouge de beaucoup. La pression dont il est question ici est uniquement celle de la phase vapeur de l'eau.
L'air a une pression de 1000 hPa, et dans ces 1000 hPa, la vapeur d'eau contribue pour 30 hPa. 
Ainsi, lorsque nous parlons de pression, c'est bien la pression de la vapeur d'eau, et non la pression atmosphérique. L'expression consacrée pour cet usage est "tension de vapeur", mais le mot tension est bien là pour parler d'une pression, du poids de la vapeur d'eau dans l'air. 

Nous le disions, la pression est essentiellement une manifestation de la masse d'un gaz. Si l'atmosphère a une masse fixe, ce qui limite les possibilités de voir sa pression variait, ce n'est pas le cas pour l'eau. Localement, la masse de vapeur peut varier très fortement. Et ces variations sont liés aux températures. Le diagramme met en évidence qu'un air froid contiendra potentiellement moins de vapeur qu'un air plus chaud. 

C'est bien le point important de cette histoire. De l'air plus chaud pourra plus se charger en vapeur d'eau. En réalité cette loi est vrai quelle que soit le composé concerné. Si vous voulez briller en société, il s'agit de la relation de Clausius Clapeyron. Pour l'eau, elle implique que l'atmosphère pourra contenir environ 6% à 7% de vapeur d'eau en plus pour un degré de réchauffement. 

Et les conséquences de cette loi sont gigantesques pour le changement climatique. En premier, la masse de vapeur d'eau dans l'atmosphère augmente bien avec la température. Elle est nommé humidité spécifique, car il est calculé plus exactement la masse de vapeur d'eau par rapport à 1 kg d'air. Cela reste cependant bien une masse d'eau : 

Température et humidité spécifique à 925 hPa (750 mètres environ). Source : Reanalysis I du NCEP NCAR, http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/reanalysis/reanalysis.shtml

En bleu, nous avons la moyenne annuelle de la température à 925 hPa. Et en rouge, nous avons l'humidité spécifique. Les deux échelles ont été alignées à peu près. Une variation de 2°C de la température (de 10°C à 12°C sur l'axe de gauche), correspond donc à une variation d'environ 14% de la teneur en vapeur d'eau. Et une variation de 14% sur une valeur de 7 grammes par kilogramme donne environ 8 grammes par kilogramme de borne supérieur. Nous voyons de suite que la température et l'humidité évolue ensemble de manière remarquable. 

Pour conclure ces généralités, nous pouvons donc dire que plus l'air est chaud, plus il peut être humide. Et lorsque nous prenons les données du monde réel, c'est tout à fait ce qui est observé. 

L'Atlantique et l'Europe


Rappelons déjà que l'Hiver, globalement, est très doux. Le mois de Janvier est le troisième plus chaud pour la NASA : 

Anomalie des températures à 2 mètres. Source :  GISS, NASA http://data.giss.nasa.gov/gistemp/
Le froid aux USA n'apparait pas particulièrement spectaculaire, surtout comparé aux anomalies en Alaska et dans le Nord canadien... Le temps bien doux en Europe se confirme également.

Pour l'Europe donc. Cet Hiver, le flux d'Ouest aura été particulièrement vigoureux. Il aura aussi été particulièrement humide pour la façade Ouest de l'Europe, du Portugal à l'Irlande en passant par la Galice.

Regardons un peu ce qui passe du côté de l'Atlantique. L'océan aura été particulièrement doux : 

Anomalie des températures de surface de la mer (SST en anglais). Source : OSPO, http://www.ospo.noaa.gov/Products/ocean/index.html
Les températures sont dénommés SST (Sea Surface Temperature, température de surface de la mer). Les anomalies chaudes dominent visiblement l'ensemble des océans. Dans l'Atlantique, c'est particulièrement vrai entre 20° Nord et 40° Nord. Cette anomalie aura alimentée en humidité les dépressions atlantiques.

Nous avons ici représenté les SST et l'humidité pour l'Atlantique entre 10° Nord et 40° Nord, et entre 80° Ouest et 20° Ouest. Pour Décembre et Janvier, la moyenne des SST (température de surface de la mer) et de l'humidité à 1000 hPa (au dessus de la surface) montrent une claire tendance à la hausse. Et en ce qui concerne cette année, la moyenne de Décembre 2013 et Janvier 2014 est dans le haut du panier : 

Température de surface de la mer (SST) et humidité spécifique à 1000 hPa (surface environ) pour l'Atlantique tropical et subtropical Nord. Source : Reanalysis I du NCEP NCAR, http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/reanalysis/reanalysis.shtml
Un océan plus chaud a pu alimenté en humidité les dépressions venues de l'Atlantique. 

Restons cependant bien clair. Il ne s'agit pas de justifier que les tempêtes sont plus nombreuses à cause du réchauffement. Nous affirmons juste qu'une atmosphère plus chaude et aussi plus humide. Cela tend alors à empirer la gravité de tout événement météorologique. Cette année, la circulation d'Ouest a de toute façon était particulièrement forte. Les raisons de cette circulation sont multiples. Les perturbations du courant jet (jet stream en anglais) suite au réchauffement climatique ont sans doute favorisé son accélération sur l'Europe de l'Ouest. De plus la configuration en tripôle des anomalie de SST est également favorable à un flux d'Ouest. 

Cependant, chaque dépression qui est passé avait à sa disposition une plus grande réserve d'humidité.

Le Royaume-Uni est alors particulièrement en difficulté. Avant de continuer à parler de chiffres, et sans prétendre faire une revue de presse, quelques liens pour illustrer : 





L'étendue des inondations est visible depuis l'espace : 

Image satellite du Sommerst, avant les inondations et le 8 Février 2012. Source : http://www.theguardian.com/environment/2014/feb/13/storms-floods-climate-change-upon-us-lord-stern

L'église de Tirley à 800 mètres de distance du lit de la rivière, et 4 mètres d'élévation au dessus... 

Saint Michael and All Angels Church, Tirley, Gloucestershire 


En France, la Bretagne a également été victime des intempéries : 





Et jusqu'en Galice les pluies font parler d'elle, même si la situation est moins catastrophiques qu'en Grande-Bretagne : 


Pour revenir au Royaume-Uni, les inondations se sont développés dans un contexte déjà humide. Le mois d'Octobre avait été particulièrement arrosé, le mois de Novembre normal, le mois de Décembre proche des record. Le mois de Janvier exceptionnellement pluvieux, et le mois de Février toujours très humide ont achevé de compléter les excédents. Au mois de Janvier, il est tombé plus de 220 millimètres dans l'Ouest de l'Angleterre, de la Cumbrie aux Cornouailles, et jusqu'à 250 millimètres localement. L'Est, notamment l'Anglia était "sous le vent" et on était relativement plus épargné, avec des totaux de l'ordre de 90 millimètres pour les régions les moins arrosés :

Total des précipitations mensuelles en millimètres pour l'Angleterre et le pays de Galles. Source : Agence de l'Environnement,  http://www.environment-agency.gov.uk/research/library/publications/33995.aspx

Le débit des rivières a alors approché ou dépassé les records, avec des valeurs allant de 150% à plus de 300% de la normale. La Tamise (the Thames) particulièrement a dépassé son record :

Débit des rivières anglaises et galloises en pourcentage de la normale. Source : Agence de l'Environnement,  http://www.environment-agency.gov.uk/research/library/publications/33995.aspx

La synthèse des chiffres par la BBC : http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-26175213

Ailleurs dans le monde, des inondations violentes frappent l'Afrique de l'Est. Le Zimbabwe a du demandé une aide d'urgence:


Et la  situation au Burundi est tragique : 


Niveau de l'océan


Une autre conséquence plus directe et plus évidente du réchauffement climatique est la hausse du niveau de la mer. 
Au niveau global, les satellites mettent en évidence un rythme d'élévation de 3.2 millimètres par an environ : 

Hausse du niveau de la mer. Source : http://www.aviso.oceanobs.com/en/news/ocean-indicators/mean-sea-level/
Cette hausse est du environ pour moitié à la dilatation thermique des océans, et pour moitié à la fonte des glaciers et calottes glaciaires. 
Pour l'Europe de l'Ouest, nous pouvons regarder la station de Brest qui possède une série particulièrement longue. Le niveau de la mer pris en référence est celui de la marée basse, ce qui explique que les chiffres soient déjà de l'ordre de 6 à 7 mètres. Cela veut dire que le niveau moyen à Brest est 6 ou 7 mètres au dessus du niveau à marée basse : 

Niveau moyen de la mer à Brest. Source : http://www.psmsl.org/data/obtaining/stations/1.php
Nous pouvons remarquer que le niveau est monté de 20 centimètres pour Brest. Ce qui reste un peu près vrai pour l'ensemble des côtes du Nord-Ouest de l'Europe. 

Ici, établir un lien est bien plus évident. Le réchauffement cause une élévation du niveau des océans, qui sont alors d'autant plus susceptibles de pénétrer les terres lors d'une tempêtes. 

Le Somerset en Angleterre a été particulièrement concerné cette année :


mais c'est bien l'ensemble de l'aménagement des côtes qui devra être revu à terme. 

Il s'était passé la même chose un peu plus tôt cet Hiver. Lorsque Xaver avait frappé le Nord-Ouest de l'Europe le 6 Décembre, la mer avait eu d'autant plus de facilité a progressé dans les terres, que le niveau de la mer est en hausse constante. 



Par exemple à Ostende, le niveau de la mer a atteint 6.33 mètres le 6 Décembre : 

Niveau de la mer les 5 et 6 Décembre 2013 à Ostende. Source : http://www.mumm.ac.be/EN/News/item.php?ID=339
Cependant, le niveau est monté de 20 centimètres en deux siècles environ, et de 10 centimètres depuis la tempête de 1953. 

Accélération du cycle hydrologique


Nous avons expliqué qu'un air plus chaud et aussi plus humide, ce qui renforce la probabilité d'événements extrêmement pluvieux. Cependant, ce n'est pas la seule conséquence. Un air plus chaud peut contenir plus d'humidité, mais cette humidité doit bien avoir une origine. Au dessus de l'Atlantique cette année l'évaporation s'est grandement accéléré pour gaver les dépressions de vapeur. Cependant, ne nous inquiétons pas pour cet océan, ce ne sont pas quelques cyclones qui le videront de son eau. 
Ceci n'est plus vrai pour les terres, où la plus grande évaporation peut causer des sécheresses bien plus sévères. L'eau est pompé du sol plus rapidement si l'air est sec. C'est d'ailleurs le principe du sèche-cheveux, soufflé de l'air chaud pour sécher les cheveux... Nous avons donc à la fois des sécheresses plus extrêmes et des inondations plus extrêmes. Sans même parler de perturbations du courant-jet, les événements météorologiques évolueront donc vers toujours plus d'extrêmes. Globalement, le monde devrait devenir plus humide, mais localement des régions pourraient devenir aride ou osciller entre trop peu et trop d'eau. 

Ailleurs dans le monde, l'effet sèche-cheveux est donc en route, et marche terriblement bien. La Californie est ainsi aux prises avec une sécheresse historique qui menace gravement l'économie de l'État le plus riche et le plus peu peuplé des USA.  


Alors que la Californie est un important producteur de fruits et légumes, la question se pose de savoir si ces cultures sont encore viables, remettant en cause la pérennité de tout un pan de l'activité économique des États-Unis :


Et le Brésil n'est pas en reste : 


Conclusion


Deuxième article de PMB pour cet Hiver, et il y a de quoi dire tant cet Hiver est hors norme. Il ne sera peut être pas le plus chaud en Belgique, il ne sera peut être pas le plus chaud en moyenne pour le globe. Mais en tout cas, personne n'aura été épargné par les anomalies en tout genres. Et les impacts sont potentiellement critiques, notamment en ce qui concerne la production alimentaire mondiale. La sécheresse au Brésil et en Californie menace de provoquer une flambée des prix de certaines matières premières agricoles. 

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