Une recherche pourrait aider les scientifiques à prédire la fin d’une vague de chaleur humide

Jennifer Chu

Une longue période de chaleur humide suivie d’orages intenses est un schéma météorologique historiquement observé principalement dans et autour des tropiques. Mais le changement climatique rend les vagues de chaleur humide et les tempêtes extrêmes plus fréquentes dans les régions traditionnellement tempérées des moyennes latitudes, comme le Midwest américain, qui a connu des épisodes de chaleur et d’humidité exceptionnellement élevées ces derniers étés.

Des scientifiques du MIT ont maintenant identifié une condition clé dans l’atmosphère qui détermine à quel point une région des moyennes latitudes peut devenir chaude et humide, et l’intensité des tempêtes associées. Ces résultats pourraient aider les climatologues à évaluer le risque d’une région face aux vagues de chaleur humide et aux tempêtes extrêmes, alors que le monde continue de se réchauffer.

Dans une étude parue cette semaine dans la revue Science Advances , l’équipe du MIT rapporte que la chaleur humide maximale et l’intensité des tempêtes d’une région sont limitées par la force d’une « inversion atmosphérique » — une condition météorologique dans laquelle une couche d’air chaud se pose sur de l’air plus frais.

On sait que les inversions agissent comme une couverture atmosphérique qui piège les polluants au niveau du sol. Les chercheurs du MIT ont maintenant découvert que les inversions atmosphériques piègent et accumulent également la chaleur et l’humidité en surface, en particulier dans les régions des moyennes latitudes. Plus une inversion est persistante, plus une région peut accumuler de chaleur et d’humidité en surface, ce qui peut conduire à des vagues de chaleur humide plus oppressantes et plus longues.

Et, lorsqu’une inversion finit par s’affaiblir, l’énergie thermique accumulée est libérée sous forme de convection, ce qui peut fouetter l’air chaud et humide en orages intenses et en fortes précipitations.

L’équipe affirme que cet effet est particulièrement pertinent pour les régions des moyennes latitudes, où les inversions atmosphériques sont courantes. Aux États-Unis, les régions à l’est des Rocheuses connaissent souvent ce type d’inversions, avec un air relativement chaud en altitude reposant sur de l’air plus frais près de la surface.

Alors que le changement climatique réchauffe encore davantage l’atmosphère en général, l’équipe soupçonne que les inversions pourraient devenir plus persistantes et plus difficiles à rompre. Cela pourrait signifier des vagues de chaleur humide plus fréquentes et des tempêtes plus intenses pour des endroits qui ne sont pas habitués à de tels extrêmes météorologiques.

« Notre analyse montre que les régions de l’est et du Midwest des États-Unis et les régions de l’Asie de l’Est pourraient être de nouveaux points chauds pour la chaleur humide dans le climat futur », explique l’auteur de l’étude Funing Li, postdoctorant au département des sciences de la Terre, de l’atmosphère et des planètes (EAPS) du MIT.

« À mesure que le climat se réchauffe, théoriquement, l’atmosphère pourra contenir plus d’humidité », ajoute la co-autrice et professeure adjointe à l’EAPS, Talia Tamarin-Brodsky. « C’est pourquoi de nouvelles régions des moyennes latitudes pourraient connaître des vagues de chaleur humide qui causeront un stress auquel elles n’étaient pas habituées auparavant. »

Énergétique de l’air

Les couches de l’atmosphère deviennent généralement plus froides avec l’altitude. Dans ces conditions typiques, lorsqu’une vague de chaleur traverse une région, elle réchauffe l’air au niveau du sol. Comme l’air chaud est plus léger que l’air froid, il finira par s’élever, comme une montgolfière, provoquant la descente de l’air plus froid. Cette montée et descente de l’air déclenche la convection, comme des bulles dans de l’eau bouillante. Lorsque l’air chaud atteint des altitudes plus froides, il se condense en gouttelettes qui tombent sous forme de pluie, généralement lors d’un orage, ce qui peut souvent soulager une vague de chaleur.

Pour leur nouvelle étude, Li et Tamarin-Brodsky se sont demandé : que faudrait-il pour que l’air en surface se mette à convecter et mette finalement fin à une vague de chaleur ? Autrement dit : qu’est-ce qui fixe la limite à la chaleur qu’une région peut atteindre avant que l’air ne commence à convecter pour finalement pleuvoir ?

L’équipe a traité la question comme un problème d’énergie. La chaleur est une énergie qui peut être pensée sous deux formes : l’énergie qui provient de la chaleur sèche (c’est-à-dire la température), et l’énergie qui provient de la chaleur latente, ou humide. Les scientifiques ont raisonné que, pour une « parcelle » d’air donnée, il y a une certaine quantité d’humidité qui, lorsqu’elle se condense, contribue à l’énergie totale de cette parcelle d’air. Selon la quantité d’énergie qu’une parcelle d’air possède, elle pourrait commencer à convecter, s’élever et finalement pleuvoir.

« Imaginez mettre un ballon autour d’une parcelle d’air et demander : restera-t-elle au même endroit, montera-t-elle ou coulera-t-elle ? » explique Tamarin-Brodsky. « Il ne s’agit pas seulement d’air chaud qui s’élève. Il faut aussi penser à l’humidité qui s’y trouve. Nous considérons donc l’énergétique d’une parcelle d’air en tenant compte de l’humidité dans cet air. Ensuite, nous pouvons trouver l’énergie humide maximale qui peut s’accumuler près de la surface avant que l’air ne devienne instable et ne convecte. »

Barrière thermique

En travaillant sur leur analyse, les chercheurs ont découvert que la quantité maximale d’énergie humide, ou le niveau le plus élevé de chaleur et d’humidité que l’air peut contenir, est fixée par la présence et la force d’une inversion atmosphérique. Dans les cas où les couches atmosphériques sont inversées (lorsqu’une couche d’air chaud ou léger se pose sur de l’air plus froid ou plus lourd, au niveau du sol), l’air doit accumuler plus de chaleur et d’humidité pour qu’une parcelle d’air accumule suffisamment d’énergie pour s’élever et percer la couche d’inversion. Plus l’inversion est persistante, plus l’air doit devenir chaud et humide avant de pouvoir s’élever et convecter.

Leur analyse suggère qu’une inversion atmosphérique peut augmenter la capacité d’une région à retenir la chaleur et l’humidité. La hauteur que cette chaleur et cette humidité peuvent atteindre dépend de la stabilité de l’inversion. Si une couverture d’air chaud se stationne sur une région sans bouger, elle permet à plus de chaleur humide de s’accumuler, par rapport à une situation où la couverture est rapidement retirée. Lorsque l’air finit par convecter, la chaleur et l’humidité accumulées généreront des tempêtes plus fortes et plus intenses.

« Cette inversion croissante a deux effets : des vagues de chaleur humide plus sévères, et des tempêtes convectives moins fréquentes mais plus extrêmes », affirme Tamarin-Brodsky.

Les inversions dans l’atmosphère se forment de diverses manières. La nuit, la surface qui s’est réchauffée pendant la journée se refroidit en rayonnant de la chaleur vers l’espace, rendant l’air en contact avec elle plus frais et plus dense que l’air au-dessus. Cela crée une couche peu profonde dans laquelle la température augmente avec la hauteur, appelée inversion nocturne. Les inversions peuvent également se former lorsqu’une couche peu profonde d’air marin frais se déplace de l’océan vers l’intérieur des terres et glisse sous de l’air plus chaud au-dessus du sol, laissant de l’air frais près de la surface et de l’air plus chaud au-dessus. Dans certains cas, des inversions persistantes peuvent se former lorsque de l’air chauffé sur des montagnes ensoleillées est transporté au-dessus de régions basses plus froides, de sorte qu’une couche chaude en altitude coiffe de l’air plus frais près du sol.

« Les Grandes Plaines et le Midwest ont historiquement connu de nombreuses inversions à cause des Rocheuses », explique Li. « Les montagnes agissent comme une source de chaleur élevée efficace, et les vents d’ouest transportent cet air relativement chaud en aval vers le centre et le Midwest des États-Unis, où il peut aider à créer une inversion de température persistante qui coiffe l’air plus froid près de la surface. »

« Dans un climat futur pour le Midwest, ils pourraient connaître à la fois des orages plus sévères et des vagues de chaleur humide plus extrêmes », déclare Tamarin-Brodsky. « Notre théorie donne une compréhension de la limite pour la chaleur humide et la convection sévère pour ces communautés qui seront les futurs points chauds de vagues de chaleur et d’orages. »

Source : MIT