Ce que dit une équation vieille de 190 ans sur les pluies torrentielles dans un climat en plein changement

En mars 1835, un jeune Charles Darwin était haut dans les Andes et luttait pour préparer le souper. " Nos pommes de terre après être restées pendant un temps considérable dans l'eau bouillante étaient presque aussi dures que jamais ", écrit-il dans "Voyage of the Beagle" (1). Les compagnons affamés de Darwin ont blâmé leur nouvelle marmite, mais le naturaliste avait une explication plus scientifique : l'altitude. " L'eau a nécessairement bouilli, à cause de la pression diminuée de l'atmosphère, à une température plus basse qu'elle ne le fait dans un pays moins élevé ", écrit-il.

Les rivières atmosphériques, comme celle illustrée ici qui a frappé la Californie en janvier, sont des phénomènes météorologiques relativement simples, dont la dynamique peut être appréhendée par l'équation classique de Clausius-Clapeyron. Mais ce n'est pas le cas pour tous les événements pluvieux.

Presque au même moment, l'ingénieur et physicien français Émile Clapeyron a découvert pourquoi une pression réduite en altitude affecte de cette manière le point d'ébullition de l'eau. Ses travaux ont finalement établi la relation entre la pression d'une substance et la température, lorsque deux phases de cette substance sont en équilibre (2). La relation est maintenant connue sous le nom d'équation de Clausius-Clapeyron.

Près de 200 ans plus tard, cette vision historique aide les climatologues à comprendre les effets du changement climatique. L'équation montre comment un air plus chaud peut contenir plus d'humidité, ce qui est crucial pour prévoir la force accrue des tempêtes et l'intensité plus élevée des précipitations.

" Un point clé de cette équation est qu'elle contient une exponentielle ", déclare Peter Stott, climatologue au UK Meteorological Office. " Une courbe exponentielle, bien sûr, augmente plus fortement à mesure que vous montez. Donc, assez rapidement, à mesure que la température augmente, vous entrez en grand nombre pour des précipitations supplémentaires."

Ainsi, l'équation pointe un avenir plus humide. Mais comme les chercheurs l'apprennent, ce n'est que le début. Les futures tempêtes pourraient produire encore plus de pluie que ne le prédit la vénérable équation.

Le Clausius dans l'équation est Rudolf Clausius, un physicien allemand surtout connu pour avoir introduit le concept d'entropie. En quelques décennies au milieu du XIXe siècle, Clausius, Clapeyron et une poignée d'autres ont compris la plupart de ce que nous savons sur la thermodynamique. " C'était vraiment le moment clé où la plupart des géants du domaine émergent travaillaient et publiaient leurs idées ", explique Wayne Saslow, physicien à la Texas A&M University, qui a étudié et écrit sur l'histoire de la thermodynamique (3).

C'était l'âge de la machine à vapeur. Sadi Carnot, James Joule, William Rankine et William Thomson (Lord Kelvin), ainsi que Clapeyron et Clausius, ont travaillé sur la théorie et les applications pratiques pour tenter d'améliorer l'efficacité de cette technologie cruciale.

Clapeyron a été l'un des premiers à considérer la théorie du comportement des phases vapeur et liquide de l'eau lorsque le fluide à l'intérieur d'une machine à vapeur est chauffé. En 1834, il avait tracé comment la pression de vapeur - la pression exercée par la vapeur lorsqu'elle est en équilibre avec le liquide - changerait avec la température.

En 1850, Clausius a affiné la relation pour inclure la chaleur latente, l'énergie nécessaire pour vaporiser une quantité donnée de liquide, pour donner la forme de l'équation que nous utilisons aujourd'hui (4).

Attention : De nombreuses personnes font une interprétation incorrecte de l'équation : La loi de Clausius-Clapeyron détermine la quantité d'humidité dans l'atmosphère, mais ne détermine pas la pluie directement !

L'équation peut expliquer les observations quotidiennes, comme la façon dont un autocuiseur peut accélérer les repas en faisant bouillir de l'eau à 120 °C. Les scientifiques de diverses disciplines l'utilisent pour estimer tout, de la composition probable des atmosphères et des océans sur d'autres planètes au potentiel énergétique et aux risques des cristaux exotiques d'hydrate de méthane trouvés sous les sédiments côtiers et le pergélisol. Mais l'une de ses utilisations les plus importantes est la météorologie, en particulier dans les simulations de la façon dont l'atmosphère et le temps réagiront au changement climatique.

Les météorologues utilisent l'équation de Clausius-Clapeyron pour comprendre quand la vapeur d'eau se condensera en liquide. Cela se produit à ce qu'on appelle la pression de vapeur saturante, la pression maximale qui peut être exercée par la vapeur d'eau avant qu'elle ne se condense. L'équation montre que cette pression augmente de façon exponentielle avec la température.

En d'autres termes, l'air chaud peut contenir plus de vapeur d'eau, ce qui signifie qu'il peut également libérer plus d'eau liquide sous forme de pluie.

L'équation indique que pour chaque degré Celsius supplémentaire de réchauffement, l'air peut contenir 7 % d'eau en plus.

Cela semblerait suggérer qu'avec 2 °C de réchauffement climatique, le monde pourrait s'attendre à 14 % d'humidité en plus dans l'air. Avec 3 °C de réchauffement, ce serait 21 %, et ainsi de suite. En pratique, cependant, les choses sont un peu plus compliquées.

" Le degré de saturation de l'air dépend de la quantité d'eau nécessaire pour le saturer ", explique Stott. " Donc, cette relation ne fonctionne pleinement que sur les océans, où il y a un approvisionnement illimité en eau. "

Au-dessus de la terre, s'il n'y a pas 7 % d'humidité supplémentaire disponible dans le sol, l'air au-dessus n'absorbera pas et ne retiendra pas non plus cette quantité d'eau, quelle que soit une augmentation de 1 ° C.   " Il n'y a pas d'approvisionnement en eau illimité sur la terre, donc pour de nombreux phénomènes de pluie vraiment abondante, il doit y avoir une masse d'air venant de l'océan ", explique Stott.

Une grande partie des fortes pluies et des inondations observées en Californie au cours des derniers mois et années ont été enracinées dans des événements qui ont commencé au-dessus de l'océan, et ont donc transporté toute la quantité de vapeur d'eau supplémentaire prédite par l'équation de Clausius-Clapeyron.

Ces orages sont provoqués par le déplacement de longues et étroites colonnes de vapeur d'eau appelées rivières atmosphériques, qui proviennent souvent des tropiques (voir réf. 5). Une rivière atmosphérique tristement célèbre, surnommée le Pineapple Express, transporte la vapeur d'eau des eaux chaudes près d'Hawaï vers la côte ouest des États-Unis environ toutes les quelques années. " L'augmentation globale de la température est plus proche de 1,2 degré, il y a donc probablement quelque chose comme 8 % d'humidité en plus dans les rivières atmosphériques maintenant qu'il n'y en aurait eu sans le changement climatique ", a déclaré Stott.

Kevin Reed, spécialiste de l'atmosphère et spécialiste des conditions météorologiques extrêmes à l'Université de Stony Brook, à New York, a travaillé pour quantifier l'impact du changement climatique sur les précipitations. Les résultats, dit-il, divergent souvent de ce que l'équation de Clausius-Clapeyron pourrait suggérer. " Beaucoup de gens interprètent l'équation de manière incorrecte ", dit-il. " Clausius-Clapeyron détermine la quantité d'humidité dans l'atmosphère, mais il ne détermine pas directement les précipitations."

Parfois, l'augmentation des précipitations est inférieure à celle prédite par l'équation, en raison d'un aspect physique mal compris de la science des nuages appelé " efficacité des précipitations ". En bref, toute la vapeur d'eau condensée de l'air n'atteint pas le sol sous forme de pluie ou de neige, car une partie se re-évapore.

Le type d'orage est également important. Les rivières atmosphériques sont des phénomènes météorologiques relativement simples qui condensent généralement toute leur vapeur d'eau en liquide lorsqu'elles s'élèvent au-dessus de la terre dans de l'air plus froid.

Ce n'est pas le cas pour les autres événements pluvieux. Les orages convectifs, par exemple, se forment autour d'une colonne verticale montant rapidement qui aspire l'air de l'atmosphère environnante. Ce processus dynamique attire la vapeur, concentrant des précipitations encore plus abondantes sur un point localisé. Surtout, les orages convectifs tirent également leur puissance de cette vapeur de condensation. Ainsi, lorsque la hausse des températures ajoute de l'humidité à l'air, elle suralimente la tempête, augmentant son pouvoir de concentration. Cela signifie que l'augmentation des précipitations provenant des orages et des cyclones tropicaux peut souvent dépasser la relation Clausius-Clapeyron.

" Lorsqu'une tempête devient plus forte, cela signifie que sa circulation devient également plus forte, ce qui signifie qu'elle peut évaporer plus de vapeur d'eau au centre de la tempête et libérer plus de chaleur latente, ce qui signifie qu'elle peut produire plus de précipitations ", explique Reed. " Et puis vous pourriez anticiper une augmentation supérieure à l'augmentation de 7 %." Plus la tempête est intense, plus l'impact est important. "Lorsque ces tempêtes ont la force d'un ouragan, nous voyons vraiment ces pourcentages augmenter", dit-il.

Dans un article publié l'année dernière (6), l'équipe de Reed a examiné comment les précipitations des ouragans les plus puissants de l'Atlantique Nord en 2020 ont été rendues plus intenses par le réchauffement climatique. En utilisant une technique appelée "attribution rétrospective", ils ont comparé les résultats du monde réel avec un modèle qui supposait qu'il n'y avait pas eu de réchauffement anthropique. Ils ont constaté que les taux extrêmes de précipitations, mesurés par tranches de 3 heures, augmentaient de 11 %.

Étant donné que la température de surface de la mer dans le bassin de l'Atlantique Nord s'est réchauffée de 0,4 à 0,9 ° C, l'augmentation de 11% est presque le double de ce que l'on attendrait de l'équation de Clausius-Clapeyron. Reed dit que cela démontre l'effet convectif. Des tempêtes comme celles-ci, avec plus de précipitations que prévu, sont connues sous le nom d'événements "super-Clausius-Clapeyron".

Cela signifie, prévient Reed, que la simplicité apparente de l'équation Clausius-Clapeyron pourrait conduire à des prédictions trompeuses qui sous-estiment les augmentations probables des précipitations à mesure que la température augmente davantage. " Cela signifie que nous devons être prudents lorsque nous examinons les archives historiques et déduire les changements futurs uniquement à partir de ce que nous voyons ", dit-il. Il travaille maintenant à mieux quantifier la relation entre les précipitations et la température de surface de la mer dans les modèles.

Une telle analyse devrait nous aider à prévoir comment les précipitations futures pourraient affecter les inondations, l'un des risques les plus graves du changement climatique. Mais ce n'est qu'une partie de cette histoire. " L'eau déborde jusqu'au point le plus bas possible, ce qui signifie que si vous avez 20 % de pluie en plus, cela ne signifie pas que votre niveau d'inondation va être 20 % plus élevé ", explique Reed. " Cela pourrait être plus grand que cela, ou cela pourrait en fait être moins."

La seule façon d'être sûr est de combiner des modèles de précipitations avec des prévisions détaillées de l'hydrologie dans des paysages spécifiques. Une des premières tentatives en ce sens a examiné les niveaux d'eau à la suite de l'ouragan Florence, qui a dévasté les Carolines en 2018 (7). Il a constaté que le bassin de la rivière Cape Fear pouvait réduire les niveaux d'eau extrêmes pendant la tempête, car il amortissait les surtensions du côté de l'océan.

Comme de tels travaux sondent les détails de la façon dont les précipitations et les inondations vont changer dans un monde qui se réchauffe, l'équation Clausius-Clapeyron, vieille de 190 ans, continuera d'agir comme une règle empirique utile.

Mais Reed dit qu'il est important que davantage d'études examinent les lacunes et pourquoi les chercheurs utilisant l'équation peuvent parfois avoir besoin de prendre en considération une multitude d'autres facteurs. " L'équation n'est pas seulement une question de changement climatique ", déclare Stott. " C'est une question de climat. Une question de météo. "

Références bibliographiques :

Source : https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2304077120

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