Professeur Tiffany Shaw, Professeur, Département des géosciences, Université de Chicago
L'hémisphère sud est un endroit très turbulent.Les vents à diverses latitudes ont été décrits comme « rugissant à quarante degrés », « furieux à cinquante degrés » et « hurlant à soixante degrés ».Les vagues atteignent un énorme 78 pieds (24 mètres).
Comme nous le savons tous, rien dans l'hémisphère nord ne peut égaler les violentes tempêtes, le vent et les vagues de l'hémisphère sud.Pourquoi?
Dans une nouvelle étude publiée dans les Actes de l'Académie nationale des sciences, mes collègues et moi découvrons pourquoi les tempêtes sont plus fréquentes dans l'hémisphère sud que dans l'hémisphère nord.
Combinant plusieurs sources de preuves issues d'observations, de théories et de modèles climatiques, nos résultats soulignent le rôle fondamental des « tapis roulants » océaniques mondiaux 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 la modélisation du modèle climatique 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 du temps sur Terre ont été faites depuis la terre.Cela a donné aux scientifiques une image claire de la tempête dans l'hémisphère nord.Cependant, dans l'hémisphère sud, qui couvre environ 20 % des terres, nous n'avons pas obtenu une image claire des tempêtes jusqu'à ce que les observations par satellite soient disponibles 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 de 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 annuelle moyenne des tempêtes observée 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 à le haut de la comparaison entre la première et la dernière carte.)
La carte montre l'intensité constamment élevée des tempêtes dans l'océan Austral dans l'hémisphère sud et leur concentration dans les océans Pacifique et Atlantique (ombrés en orange) dans l'hémisphère nord.La carte des différences montre que les tempêtes sont plus fortes dans l'hémisphère sud que dans l'hémisphère nord (ombrage orange) à la plupart des latitudes.
Bien qu'il existe de nombreuses théories différentes, personne n'offre une explication définitive de la différence de tempêtes entre les deux hémisphères.
Trouver les raisons semble être une tâche difficile.Comment comprendre un système aussi complexe s'étendant sur des milliers de kilomètres que l'atmosphère ?Nous ne pouvons pas mettre la Terre dans un bocal et l'étudier.Or, 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 de la Terre.
L'exemple le plus célèbre de cette approche est le travail pionnier du Dr Shuro Manabe, qui a reçu le prix Nobel de physique 2021 « pour sa prédiction fiable du réchauffement climatique ».Ses prédictions sont basées sur des modèles physiques du climat de la Terre, allant des modèles de température unidimensionnels les plus simples aux modèles tridimensionnels complets.Il étudie la réponse du climat à l'augmentation des niveaux de dioxyde de carbone dans l'atmosphère à l'aide de modèles de complexité physique variable et surveille les signaux émergents des phénomènes physiques sous-jacents.
Pour comprendre davantage de tempêtes dans l'hémisphère sud, nous avons recueilli plusieurs sources de données, y compris des données provenant de modèles climatiques basés sur la physique.Dans un premier temps, nous étudions les observations en termes de répartition de l'énergie sur la Terre.
La Terre étant une sphère, sa surface reçoit inégalement le rayonnement solaire du Soleil.La majeure partie de l'énergie est reçue et absorbée à l'équateur, où les rayons du soleil frappent plus directement la surface.En revanche, les poteaux qui éclairent les coups à des angles raides reçoivent moins d'énergie.
Des décennies de recherche ont montré que la force d'une tempête vient de cette différence d'énergie.Essentiellement, ils convertissent l'énergie "statique" stockée dans cette différence en énergie "cinétique" de mouvement.Cette transition se produit par un processus appelé « instabilité barocline ».
Ce point de vue suggère que la lumière solaire incidente ne peut pas expliquer le plus grand nombre de tempêtes dans l'hémisphère sud, puisque les deux hémisphères reçoivent la même quantité de lumière solaire.Au lieu de cela, notre analyse observationnelle suggère que la différence d'intensité des tempêtes entre le sud et le nord pourrait être due à deux facteurs différents.
Tout d'abord, le transport de l'énergie océanique, souvent appelé « tapis roulant ».L'eau coule près du pôle Nord, coule le long du fond de l'océan, monte autour de l'Antarctique et reflue vers le nord le long de l'équateur, emportant de l'énergie avec elle.Le résultat final est le transfert d'énergie de l'Antarctique vers le pôle Nord.Cela crée un plus grand contraste d'énergie entre l'équateur et les pôles dans l'hémisphère sud que dans l'hémisphère nord, entraînant des tempêtes plus violentes dans l'hémisphère sud.
Le deuxième facteur est les grandes montagnes de l'hémisphère nord qui, comme le suggéraient les travaux antérieurs de Manabe, atténuent les tempêtes.Les courants d'air sur de grandes chaînes de montagnes créent des hauts et des bas 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 agissent et interagissent simultanément.De plus, nous ne pouvons pas exclure des causes individuelles pour tester leur signification.
Pour ce faire, nous devons utiliser des modèles climatiques pour étudier comment les tempêtes changent lorsque différents facteurs sont supprimés.
Lorsque nous avons lissé les montagnes terrestres dans la simulation, la différence d'intensité des tempêtes entre les hémisphères a été réduite de moitié.Lorsque nous avons supprimé le tapis roulant de l'océan, l'autre moitié de la différence de tempête avait 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 impacts sociaux tels 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 clé 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.
Au contraire, les changements dans l'intensité annuelle moyenne des tempêtes dans l'hémisphère nord devraient être modérés.Cela est dû en partie aux effets saisonniers concurrents entre le réchauffement sous les tropiques, qui rend les tempêtes plus fortes, et le réchauffement rapide dans l'Arctique, qui les affaiblit.
Cependant, le climat ici et maintenant est en train de changer.Lorsque nous examinons les changements au cours des dernières décennies, nous constatons que les tempêtes moyennes sont devenues plus intenses 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 sur la même période. .
Bien que les modèles sous-estiment le signal, ils indiquent des changements se produisant pour les mêmes raisons physiques.Autrement dit, les changements dans l'océan augmentent les tempêtes parce que l'eau plus chaude se déplace vers l'équateur et que l'eau plus froide est amenée à la surface autour de l'Antarctique pour la remplacer, ce qui entraîne un contraste plus fort 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 plus de lumière solaire et affaiblit le contraste entre l'équateur et les pôles.
Les enjeux d'obtenir la bonne réponse sont élevés.Il sera important pour les travaux futurs de déterminer pourquoi les modèles sous-estiment le signal observé, mais il sera tout aussi important d'obtenir la bonne réponse pour les bonnes raisons physiques.
Xiao, T. et al.(2022) Storms in the Southern Hemisphere due to landforms and ocean circulation, Actes de l'Académie nationale des sciences des États-Unis d'Amérique, doi : 10.1073/pnas.2123512119
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