Professeure Tiffany Shaw, professeure, Département de géosciences, Université de Chicago
L'hémisphère sud est un endroit très turbulent. À différentes latitudes, les vents ont été décrits comme « rugissants à quarante degrés », « furieux à cinquante degrés » et « hurlants à soixante degrés ». Les vagues atteignent jusqu'à 24 mètres de haut.
Comme nous le savons tous, rien dans l'hémisphère nord ne peut égaler les violentes tempêtes, les vents et les vagues de l'hémisphère sud. Pourquoi ?
Dans une nouvelle étude publiée dans les Proceedings of the National Academy of Sciences, mes collègues et moi découvrons pourquoi les tempêtes sont plus fréquentes dans l’hémisphère sud que dans l’hémisphère nord.
En combinant plusieurs éléments de preuve issus d’observations, de théories et de modèles climatiques, nos résultats soulignent le rôle fondamental des « bandes transporteuses » océaniques mondiales et des grandes montagnes de l’hémisphère nord.
Nous montrons également qu'au fil du temps, les tempêtes dans l'hémisphère sud sont devenues plus intenses, contrairement à celles de l'hémisphère nord. Ceci est cohérent avec les modèles climatiques du réchauffement climatique.
Ces changements sont importants car nous savons que des tempêtes plus fortes peuvent entraîner des impacts plus graves, tels que des vents, des températures et des précipitations extrêmes.
Pendant longtemps, la plupart des observations météorologiques sur Terre ont été effectuées depuis la terre ferme. Cela a permis aux scientifiques d'avoir une image précise des tempêtes dans l'hémisphère nord. Cependant, dans l'hémisphère sud, qui couvre environ 20 % des terres émergées, nous n'avons pas obtenu d'image précise des tempêtes avant l'arrivée des observations par satellite à la fin des années 1970.
Grâce à des décennies d’observation depuis le début de l’ère des satellites, nous savons que les tempêtes dans l’hémisphère sud sont environ 24 % plus fortes que celles de l’hémisphère nord.
Ceci est illustré sur la carte ci-dessous, qui montre l'intensité moyenne annuelle observée des tempêtes pour l'hémisphère sud (en haut), l'hémisphère nord (au centre) et la différence entre eux (en bas) de 1980 à 2018. (Notez que le pôle Sud est en haut de la comparaison entre la première et la dernière carte.)
La carte montre la forte intensité persistante des tempêtes dans l'océan Austral (hémisphère Sud) et leur concentration dans les océans Pacifique et Atlantique (en orange) (hémisphère Nord). La carte des différences montre que les tempêtes sont plus fortes dans l'hémisphère Sud que dans l'hémisphère Nord (en orange) à la plupart des latitudes.
Bien qu’il existe de nombreuses théories différentes, personne n’offre d’explication définitive à la différence de tempêtes entre les deux hémisphères.
En découvrir les raisons semble une tâche difficile. Comment comprendre un système aussi complexe que l'atmosphère, s'étendant sur des milliers de kilomètres ? On ne peut pas mettre la Terre dans un bocal et l'étudier. Pourtant, c'est précisément ce que font les scientifiques qui étudient la physique du climat. Nous appliquons les lois de la physique et les utilisons pour comprendre l'atmosphère et le climat terrestres.
L'exemple le plus célèbre de cette approche est le travail pionnier du Dr Shuro Manabe, lauréat du prix Nobel de physique 2021 « pour sa prédiction fiable du réchauffement climatique ». Ses prédictions reposent sur des modèles physiques du climat terrestre, allant des plus simples modèles de température unidimensionnels aux modèles tridimensionnels complets. Il étudie la réponse du climat à l'augmentation des niveaux de dioxyde de carbone dans l'atmosphère au moyen de modèles de complexité physique variable et surveille les signaux émergents des phénomènes physiques sous-jacents.
Pour mieux comprendre les tempêtes dans l'hémisphère sud, nous avons collecté plusieurs sources de données, notamment des données issues de modèles climatiques basés sur la physique. Dans un premier temps, nous étudions les observations sous l'angle de la répartition de l'énergie sur Terre.
La Terre étant sphérique, sa surface reçoit le rayonnement solaire de manière inégale. La majeure partie de l'énergie est reçue et absorbée à l'équateur, où les rayons solaires frappent la surface plus directement. En revanche, les pôles, frappés par la lumière à des angles prononcés, reçoivent moins d'énergie.
Des décennies de recherche ont montré que la force d'une tempête provient de cette différence d'énergie. En fait, l'énergie « statique » emmagasinée dans cette différence est convertie en énergie « cinétique » de mouvement. Cette transition se produit par un processus appelé « instabilité barocline ».
Cette hypothèse suggère que l'incidence du rayonnement solaire ne peut expliquer le nombre plus élevé de tempêtes dans l'hémisphère sud, puisque les deux hémisphères reçoivent la même quantité de soleil. Notre analyse observationnelle suggère plutôt que la différence d'intensité des tempêtes entre le sud et le nord pourrait être due à deux facteurs différents.
Premièrement, le transport de l'énergie océanique, souvent appelé « tapis roulant ». L'eau coule près du pôle Nord, coule au fond de l'océan, remonte autour de l'Antarctique et reflue vers le nord le long de l'équateur, emportant avec elle de l'énergie. Il en résulte un transfert d'énergie de l'Antarctique vers le pôle Nord. Il en résulte un contraste énergétique plus important entre l'équateur et les pôles dans l'hémisphère Sud que dans l'hémisphère Nord, ce qui entraîne des tempêtes plus violentes dans l'hémisphère Sud.
Le deuxième facteur est la présence de grandes montagnes dans l'hémisphère nord, qui, comme le suggéraient les travaux antérieurs de Manabe, atténuent les tempêtes. Les courants d'air au-dessus des grandes chaînes de montagnes créent des pics et des creux fixes qui réduisent la quantité d'énergie disponible pour les tempêtes.
Cependant, l'analyse des données observées ne peut à elle seule confirmer ces causes, car trop de facteurs interagissent simultanément. De plus, nous ne pouvons exclure des causes individuelles pour tester leur signification.
Pour ce faire, nous devons utiliser des modèles climatiques pour étudier comment les tempêtes évoluent lorsque différents facteurs sont supprimés.
En lissant les montagnes terrestres dans la simulation, la différence d'intensité des tempêtes entre les hémisphères a été divisée par deux. En supprimant le tapis roulant océanique, l'autre moitié de la différence a disparu. Ainsi, pour la première fois, nous découvrons une explication concrète des tempêtes dans l'hémisphère sud.
Étant donné que les tempêtes sont associées à de graves répercussions sociales telles que des vents, des températures et des précipitations extrêmes, la question importante à laquelle nous devons répondre est de savoir si les futures tempêtes seront plus fortes ou plus faibles.
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Un outil essentiel pour préparer les sociétés à faire face aux effets du changement climatique est la fourniture de prévisions basées sur des modèles climatiques. Une nouvelle étude suggère que les tempêtes moyennes de l'hémisphère sud deviendront plus intenses vers la fin du siècle.
À l'inverse, les variations de l'intensité annuelle moyenne des tempêtes dans l'hémisphère Nord devraient être modérées. Cela s'explique en partie par les effets saisonniers concurrents du réchauffement des tropiques, qui renforce les tempêtes, et du réchauffement rapide de l'Arctique, qui les affaiblit.
Cependant, le climat actuel est en train de changer. Si l'on examine l'évolution des dernières décennies, on constate que les tempêtes moyennes ont gagné en intensité au cours de l'année dans l'hémisphère sud, tandis que les changements dans l'hémisphère nord ont été négligeables, conformément aux prévisions des modèles climatiques pour la même période.
Bien que les modèles sous-estiment le signal, ils indiquent des changements survenant pour les mêmes raisons physiques. En effet, les changements dans l'océan augmentent les tempêtes car les eaux plus chaudes se déplacent vers l'équateur et des eaux plus froides remontent à la surface autour de l'Antarctique pour les remplacer, ce qui entraîne un contraste plus marqué entre l'équateur et les pôles.
Dans l’hémisphère nord, les changements océaniques sont compensés par la perte de glace de mer et de neige, ce qui fait que l’Arctique absorbe davantage de lumière solaire et affaiblit le contraste entre l’équateur et les pôles.
L'enjeu est de taille pour trouver la bonne réponse. Il sera important pour les travaux futurs de déterminer pourquoi les modèles sous-estiment le signal observé, mais il sera tout aussi crucial d'obtenir la bonne réponse pour les bonnes raisons physiques.
Xiao, T. et al. (2022) Tempêtes dans l'hémisphère sud dues aux reliefs et à la circulation océanique, Actes de l'Académie nationale des sciences des États-Unis d'Amérique, doi : 10.1073/pnas.2123512119
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