Le monde change
Des précipitations plus intenses, des périodes de sécheresse plus longues, des glaciers qui fondent : le changement climatique a des conséquences dramatiques sur le cycle de l'eau mondial.
Christoph Sch?r, professeur à l'ETH pour le climat et le cycle de l'eau, ne trouve pas le terme de réchauffement climatique très approprié.. "L'humidification climatique décrirait mieux les faits. En effet, la plus grande partie de l'énergie qui parvient à la Terre depuis le soleil va à l'évaporation de l'eau et alimente ainsi le cycle de l'eau." Or, c'est précisément l'évaporation de l'eau qui donne le plus de fil à retordre aux chercheurs dans la modélisation du climat. Les modèles climatiques globaux calculent le climat à l'aide de points de grille espacés de 50 à 100 kilomètres et ne peuvent donc pas représenter correctement les cellules orageuses à petite échelle. Or, c'est justement ce qui serait important, car la répartition géographique et saisonnière des cellules orageuses alimente la circulation atmosphérique, surtout sous les tropiques, où le rayonnement solaire est le plus fort.
Jusqu'à présent, les chercheurs comblent cette lacune en représentant les nuages d'orage dans les modèles de manière provisoire avec des paramètres supplémentaires - avec un succès mitigé. "Les prévisions du climat futur sont toujours relativement imprécises", constate Sch?r. "Si nous ne savons pas combien de nuages se forment sous les tropiques, nous ne savons pas combien de lumière atteint la surface de la Terre - et donc pas non plus quelle est la taille effective du budget énergétique mondial".
"L'humidification du climat décrirait mieux les faits que le réchauffement climatique. Car la plus grande partie de l'énergie qui parvient à la Terre depuis le soleil va à l'évaporation de l'eau et alimente ainsi le cycle de l'eau".Christoph Sch?r
Une précision impressionnante
Les scientifiques veulent surmonter cette incertitude au cours des prochaines années. Sch?r travaille déjà avec des modèles qui n'ont plus qu'une résolution de 1 à 2 kilomètres. Cela permet de reproduire les événements avec une grande précision. Avec son groupe, Sch?r a reproduit sur un superordinateur ce qui se passe dans l'Atlantique tropical pendant plusieurs années et en a tiré une visualisation impressionnante, qui ressemble à s'y méprendre à une image satellite : Des fronts de pluie se déplacent d'est en ouest à travers l'Afrique, des champs de nuages à petites structures se forment au large des c?tes du Brésil, des ouragans se forment au milieu de l'Atlantique et se dirigent vers le nord. "Le modèle ne sait rien du climat tropical, mais il reproduit les événements au plus près de la réalité sur la seule base des lois de la physique", constate Sch?r avec enthousiasme. Il n'est pas encore possible de calculer des scénarios à plus long terme avec de tels modèles à haute résolution. Mais on peut au moins réduire les incertitudes dans les modèles globaux gr?ce à eux.
Les modèles à haute résolution reproduisent également les événements extrêmes de manière beaucoup plus précise, comme l'illustre Sch?r avec l'exemple du sud-ouest de l'Europe. La comparaison avec les données de mesure montre que les modèles actuels sous-estiment massivement la quantité maximale de pluie pouvant tomber en une heure. En revanche, les modèles à haute résolution reproduisent très bien la réalité et reconnaissent exactement qu'en automne, il faut s'attendre à des précipitations et des inondations particulièrement violentes au sud des Alpes, le long de la c?te ligurienne ou en Provence.
Les projections des futurs événements extrêmes concordent bien avec une loi découverte au 19e siècle par Rudolf Clausius et ?mile Clapeyron, selon Sch?r. "Il s'agissait à l'époque de recherche fondamentale pure, personne ne pensait à une application pratique dans la recherche climatique". On peut déduire de cette loi que l'atmosphère peut absorber environ 6 pour cent d'eau en plus par degré de réchauffement. Pour cette raison, il faut s'attendre à l'avenir à des précipitations beaucoup plus intenses qu'auparavant. "Cela a des conséquences pour la protection contre les inondations", explique Sch?r. "Le passé perd sa valeur de référence pour l'avenir".
Certes, les lois de la physique montrent que l'atmosphère plus chaude peut absorber davantage d'eau. Néanmoins, de nombreuses régions souffriront à l'avenir d'un manque d'eau. "La teneur absolue en eau dans l'atmosphère augmente certes partout, mais l'humidité relative peut également diminuer au niveau régional", explique Sch?r pour expliquer ce prétendu paradoxe. "Il y aura donc plus d'eau qui s'évapore des sols. Dans le même temps, la formation de nuages diminue et les précipitations sont moins nombreuses". Cela aura probablement de graves conséquences non seulement pour l'Europe du Sud, constate le chercheur, mais aussi pour les pays d'Afrique du Nord, qui luttent déjà contre la pénurie d'eau.
Inondations et incendies de forêt
L'excès et le manque d'eau sont également au c?ur des préoccupations de l'hydrologue Manuela Brunner, professeure assistante à l'ETH, qui étudie les événements extrêmes en montagne.. "L'eau en montagne joue un r?le clé aussi bien dans les inondations que dans les phases de sécheresse", explique-t-elle. "De plus, les montagnes sont particulièrement touchées par le changement climatique, car les températures y augmentent plus fortement qu'en plaine".
Pour savoir si les inondations seront plus fréquentes et plus intenses à l'avenir, Brunner étudie les données d'observation et les simulations de modèles. "Pour les crues de moyenne importance, qui se produisent tous les 10 à 20 ans, nous observons une image différenciée sur l'ensemble de l'espace alpin", explique-t-elle. "Dans certaines régions, le risque augmente, dans d'autres, il a plut?t tendance à diminuer". L'état du sol joue un r?le important. "Si le sous-sol est sec, il peut absorber beaucoup d'eau et amortit ainsi les crues. En revanche, s'il est saturé, cet effet dispara?t".
"L'eau dans les montagnes joue un r?le clé aussi bien dans les inondations que dans les phases de sécheresse".Manuela Brunner
En revanche, lors des crues extrêmes du siècle, Brunner s'attend à une nette augmentation du risque pour l'ensemble de l'espace alpin. "Il tombe alors tellement d'eau que l'état du sol ne joue plus un grand r?le", estime-t-elle. Selon elle, les différents facteurs susceptibles de déclencher une inondation sont connus en soi. "Mais nous ne comprenons pas encore assez bien les interactions. Que se passe-t-il lorsque de fortes précipitations tombent pendant la fonte des neiges ? Quand cela devient-il un événement extrême ? Et à quelle fréquence cette combinaison se produit-elle ?"
Mais les inondations ne sont pas les seules à représenter un problème croissant dans l'espace alpin. "A l'avenir, nous conna?trons des périodes de sécheresse plus fréquentes au nord des Alpes et peut-être même des incendies de forêt", est convaincu Brunner. Plusieurs facteurs sont responsables de cette situation : les précipitations estivales ont tendance à diminuer, tandis que l'évaporation augmente en raison des températures plus élevées. Et troisièmement, il y a de plus en plus souvent moins de neige au printemps qu'auparavant, ce qui assèche encore la végétation.
"En principe, les précipitations augmentent certes en hiver", explique la chercheuse. "Mais en raison des températures plus élevées, elles sont moins stockées sous forme de neige. Si nous commen?ons la saison chaude au printemps avec une couche de neige plus fine, cela renforce le manque d'eau lors des étés secs".
Brunner trouve critique le fait qu'à l'avenir, les périodes de sécheresse pourraient s'étendre sur plusieurs années. "Jusqu'à présent, dans les Alpes, on n'avait pas à s'inquiéter outre mesure après un été sec, car le déficit était compensé au plus tard l'hiver suivant", constate-t-elle. "Mais à l'avenir, il se pourrait même que le déficit en eau s'aggrave au cours de l'hiver".
? quelle vitesse les glaciers fondent-ils ?
Le fait que, dans un avenir proche, les glaciers ne fourniront plus autant d'eau de fonte en été qu'auparavant complique encore la situation. Daniel Farinotti, professeur de glaciologie à l'ETH, explique: "Dans le meilleur des cas, la Suisse disposera encore en 2100 de 40% du volume actuel des glaciers. Dans le pire des cas, il n'en restera que quelques pourcents".En ce qui concerne l'évaluation de la situation future, la Suisse se trouve dans une bonne position : "Nous savons très précisément combien de glace il reste ici, car nous avons mesuré la plupart des glaciers par radar", rapporte le chercheur.
La situation est différente dans l'Himalaya, où Farinotti et son équipe mènent également un projet. Là-bas, les glaciers sont beaucoup plus hauts, de sorte qu'il n'est pas facile de les mesurer. De plus, pour des raisons stratégiques et géopolitiques, les pays concernés ne fournissent qu'avec réticence des données pour la recherche. Les prévisions concernant la date à laquelle la fonte des glaciers de l'Himalaya atteindra son maximum divergent donc jusqu'à une décennie. "Pour les plaines très peuplées, cela fait évidemment une grande différence", constate le glaciologue.
"Dans le meilleur des cas, la Suisse disposera encore en 2100 de 40 pour cent du volume actuel des glaciers. Dans le pire des cas, il n'en restera que quelques pourcents".Daniel Farinotti
Les prévisions sur l'évolution des glaciers sont également très demandées en Suisse, car les concessions de plusieurs lacs de retenue doivent être renouvelées dans les prochaines années. Les exploitants de centrales électriques souhaitent donc conna?tre la quantité d'eau dont ils disposeront à l'avenir. En même temps, ils s'intéressent aux prévisions détaillées dans le temps, constate Farinotti. "Ils veulent savoir si les captages seront encore suffisants lors des événements extrêmes attendus".
Mais un autre sujet préoccupe vraiment le chercheur : la fonte des calottes glaciaires polaires. "Dans notre groupe, nous développons actuellement un modèle d'écoulement détaillé de la calotte glaciaire du Groenland, qui repose entièrement sur des processus physiques", raconte Farinotti. "Nous reproduisons le corps de glace avec une résolution de 25 mètres, afin de pouvoir estimer le mieux possible comment la calotte glaciaire va évoluer au cours des prochaines décennies". Les chercheurs de l'ETH souhaitent effectuer ces calculs complexes sur le superordinateur Lumi, le plus rapide d'Europe.
La calotte glaciaire de l'Antarctique présente également un certain nombre de questions ouvertes que le groupe de Farinotti étudie avec d'autres. La situation est surtout critique pour la calotte glaciaire de l'Antarctique occidental, qui repose sur un lit rocheux situé sous le niveau de la mer. "La topographie du lit rocheux détermine en grande partie la vitesse à laquelle la glace va se retirer", explique le glaciologue. C'est une question cruciale pour les régions c?tières du monde entier : "Si la calotte glaciaire de l'Antarctique occidental fond, il n'est pas exclu que le niveau de la mer monte jusqu'à un mètre d'ici la fin du 21e siècle", explique Farinotti. Si l'on tient compte du fait qu'environ 250 millions de personnes vivent actuellement dans ce premier mètre de niveau de la mer, on comprend pourquoi l'avenir de la calotte glaciaire n'est pas seulement important dans les régions polaires.
Vers les personnes
Manuela Brunner est professeure assistante au Département des sciences des systèmes de l'environnement et directrice du groupe de recherche Hydrologie et conséquences climatiques dans les régions de montagne au WSL Institut pour l'étude de la neige et des avalanches SLF à Davos.
Daniel Farinotti est professeur de glaciologie à l'Institut expérimental d'hydraulique, d'hydrologie et de glaciologie de l'ETH Zurich et à l'Institut fédéral de recherche sur la forêt, la neige et le paysage (WSL) à Birmensdorf.
Christoph Sch?r est professeur de climat et de cycle de l'eau au Département des sciences des systèmes de l'environnement.
