Sécheresse : pourquoi les épisodes se multiplient-ils sous les tropiques ?

Conifère souffrant de la sécheresse dans le nord de la Patagonie. Projet Themes, CC BY-NC-ND

Valérie Daux, Université de Versailles Saint-Quentin en Yvelines – Université Paris-Saclay et Olivier Aballain, ESJ Lille (École supérieure de journalisme de Lille)

La sécheresse fait partie des risques naturels qui menacent le plus gravement la population mondiale. En termes d’impact, le phénomène est seulement devancé par les inondations.

Entre 1995 et 2015, ce sont ainsi 1,1 milliard de personnes qui ont subi les effets d’un grave épisode sec. À titre de comparaison, cela représente près de deux fois le bilan cumulé des ouragans.

Une équipe internationale de chercheurs a décidé de s’intéresser à l’intensification de ce phénomène en Amérique du Sud, avec le double objectif de l’analyser et de mobiliser les autorités politiques locales pour s’adapter à cet aspect du changement climatique.

Une hausse de fréquence des sécheresses a en effet été observée, dans les 30 à 40 dernières années, en Amérique du Sud, en Australie, en Amérique du Nord et dans la région méditerranéenne.

À la mi-février 2018, le ministère de l’Économie argentin chiffrait ainsi à 3 milliards de dollars minimum le manque à gagner sur les exportations agricoles, dû à la sécheresse en cours dans le centre du pays.

Évolution de la pluviosité dans les Andes entre 18°S et 42°S. Une tendance à la diminution de 65 mm/décennie est observée depuis les années 1980. V. Daux et R.Villalba Pister l’expansion des sécheresses

La première campagne de terrain pour ce projet de recherche appelé Themes (pour « The Mystery of the Expanding Tropics »), a été réalisée en février 2018 dans les Andes argentines.

Dix-neuf scientifiques (dont huit ingénieurs et techniciens et deux doctorants) français, argentins, chiliens, britanniques et étasuniens participent au projet. Une mission d’échantillonnage au Chili, visant les mêmes objectifs que la campagne argentine, a également eu lieu. Des campagnes de relevés des appareils de mesure seront programmées pendant les étés austraux des deux années à venir.

Dans la ligne de mire des scientifiques : l’élargissement de la circulation de Hadley, une composante de la circulation atmosphérique, dont la dynamique pourrait expliquer en partie la progression des sécheresses constatée dans les Andes centrales, et un peu partout sous les tropiques.

Les scientifiques Valérie Daux et Ricardo Villalba reviennent sur la naissance du projet de recherche Themes. (Alizée Guilhem et Nina Schretr/YouTube, 2018). La circulation de Hadley, qu’est-ce que c’est ?

Cette bande atmosphérique – formée de cellules ressemblant à des « tapis roulants » de 15 km de haut et presque 3 000 km de large – assure les échanges de chaleur de l’équateur vers les tropiques en altitude.

Chaque cellule « tapis-roulant » commence son mouvement au niveau équatorial, là où l’air chauffé, moins dense, se met à monter. En altitude, la décompression le refroidit et la vapeur d’eau condense, ce qui donne de fortes précipitations. La mécanique des « cellules de Hadley » se met en place lorsque la colonne d’air sec se sépare en deux masses, poussées vers le nord ou le sud de part et d’autre de l’équateur, avant de plonger vers la surface à 30° de latitude environ.

Ces branches descendantes des cellules de Hadley apportent au sol de l’air chaud et sec : ce sont elles qui contrôlent le climat sec des régions subtropicales. C’est à leur latitude que se trouvent les plus grands déserts de la planète (comme le Sahara ou l’Atacama).

Mais au cours des dernières décennies, les cellules de Hadley se sont allongées en direction des pôles, ce qui a entraîné un élargissement des zones subtropicales où l’air sec plonge vers le sol. Cet effet, particulièrement marqué dans l’hémisphère sud, s’est manifesté par une augmentation de la fréquence et de l’intensité des sécheresses.

Représentation modélisée de la circulation de Hadley autour de l’équateur. Climate Initiative/Fondation BNP Paribas Élargissement de la cellule de Hadley dans les Andes. R. Villalba

Plusieurs études ont suggéré que cet élargissement pourrait être lié au changement climatique global. Les auteurs formulent notamment l’hypothèse que le réchauffement de l’atmosphère, en réduisant les contrastes de pression autour de la tropopause (qui marque la limite supérieure de la cellule de Hadley), ait accru la stabilité des masses d’air et repoussé plus loin vers les pôles la descente d’air sec.

Les chercheurs estiment que l’expansion de la circulation de Hadley, constatée sur 1 à 3° de latitude dans chaque hémisphère au cours des 40 dernières années, se poursuivra probablement tout au long du XXI%u1D49 siècle.

Les conséquences sont déjà importantes en termes de baisse de pluviométrie dans le bassin méditerranéen, le sud-ouest des États-Unis, en Australie, en Afrique du Sud et au sud-ouest de l’Amérique du Sud. C’est précisément ce qui semble se produire dans les Andes sud-américaines, depuis l’Altiplano (à partir de 16° de latitude sud) jusqu’à la Patagonie du Nord (43° de latitude sud).

Les scientifiques Robert Wilson et Ingniaco A. Mundo détaillent leurs recherches sur l’impact de l’expansion de cellule de Hadley en Amérique du Sud. (Intissar El Hadj Mohamed, Émilie Groyer, Coraline Madec/Youtube, 2018). Des archives naturelles pour mieux comprendre

Les scientifiques en exploration dans les Andes argentines ne sont pas partis d’une page blanche : dès 2012 plusieurs travaux suggèrent un lien entre la progression des sécheresses et l’élargissement de la circulation de Hadley.

Cependant, les mécanismes, et l’amplitude à long terme du phénomène d’élargissement de la circulation de Hadley restent imparfaitement connus. Or comprendre précisément ces ressorts permettrait de mieux anticiper les sécheresses ; et de mobiliser la société civile et les décideurs des pays concernés afin de sécuriser l’approvisionnement en eau.

Ces lacunes dans nos connaissances sont, au moins en partie, imputables au manque de données historiques à grande échelle sur l’évolution de la circulation atmosphérique tropicale-subtropicale. Dans cette partie du monde, les séries de mesure directe des précipitations sont rares, et n’excèdent pas 50 ans d’ancienneté.

Pour y remédier, le projet de recherche Themes va s’appuyer sur la dendrochronologie, c’est-à-dire l’étude des informations enregistrées année après année dans les cernes des arbres. Ces archives naturelles, qui stockent de nombreux paramètres à chaque étape de croissance de l’arbre, pourraient permettre d’étendre à plusieurs siècles (au moins 400 ans) notre connaissance des variations de précipitation.

L’ingénieure de recherche Monique Pierre explique comment on « lit » les cernes des arbres pour explorer les climats du passé. (Salomé Gotreau, Benjamin Robert et Sarah Terrien/YouTube, 2018).

Dans cette optique, la situation géographique de l’Amérique du Sud lui confère un atout unique : on trouve dans la Cordillère des Andes des arbres portant des cernes annuels dans une bande de latitude étendue (courant de 20° à 60° sud).

Il existe d’ailleurs une collection importante de données et d’échantillons de bois de différentes espèces dans les collections des laboratoires de recherche argentins et chiliens. Ces collections seront examinées et d’autres échantillons seront encore prélevés pour compléter les archives.

Il s’agit d’actualiser et/ou de développer de nouvelles séries dendrochronologiques le long des Andes depuis l’Altiplano jusqu’au nord de la Patagonie, en passant par le Chili central.

Les isotopes, un langage à décrypter

Outre les données météorologiques, les équipes du projet Themes comptent combiner de nombreux indicateurs recueillis grâce aux cernes d’arbres afin de reconstruire l’évolution passée de la circulation de Hadley et sa localisation.

Ils s’appuieront notamment sur la composition des cernes en isotopes 18 de l’oxygène et 13 du carbone : ces variétés rares des deux atomes communs du monde vivant comportent, dans leur noyau, un nombre de particules neutres (neutrons) qui diffère de celui de l’atome majoritaire. Le noyau de l’oxygène 18 cache ainsi deux neutrons de plus que l’oxygène 16 ; le carbone 13 recèle un neutron de plus que le classique carbone 12. Les propriétés de ces différentes « versions » sont grossièrement similaires à celle de l’atome majoritaire, mais pas strictement identiques.

La différence se remarque notamment à la survenue de certains processus physico-chimiques : par exemple, quand de l’eau s’évapore, les isotopes d’oxygène qui contiennent 16 neutrons (appelés 16O) ont tendance à aller plus facilement dans la vapeur que les isotopes qui contiennent 18 neutrons (18O). De même, l’isotope 12C du carbone est privilégié par la plante pendant la photosynthèse, ce qui entraîne un appauvrissement des sucres formés en 13C par rapport au carbone du CO2 atmosphérique.

Dans l’arbre, on peut donc observer plusieurs réactions qui affectent la répartition des isotopes – depuis l’absorption d’eau (qui fournit les atomes d’oxygène) jusqu’à la fabrication de la cellulose. L’intensité de ces réactions dépend de plusieurs facteurs, tels que la température ou l’humidité de l’air.

Par voie de conséquence, les variations de composition isotopique de la cellulose, d’un cerne annuel à l’autre, reflètent les variations de l’environnement de croissance de l’arbre… On peut ainsi mettre en évidence des corrélations entre cette composition en isotopes et la température, l’humidité ou encore l’insolation.

L’exercice doit permettre de proposer une reconstruction solide et fiable des fluctuations des siècles passés. Ces données seront ensuite utilisées pour calibrer les modèles climatiques actuels, avant de tenter de prédire l’évolution future.

L’ingénieur de recherche Michel Stievenard explique comment on analyse en laboratoire les prélèvements effectués sur les arbres. (Salomé Gotreau, Benjamin Robert et Sarah Terrien/YouTube, 2018). Des modèles pour prédire le futur ?

Les modèles climatiques constituent des programmes numériques qui intègrent les équations physiques régissant les flux de matière et d’énergie dans les océans et l’atmosphère. La puissance de calcul des ordinateurs n’étant pas infinie, ces modèles recourent à des représentations simplifiées du monde, basées sur des conditions de départ que les chercheurs espèrent cohérentes.

Pour tester leur validité, les spécialistes font tourner ces modèles sur des échelles de temps et d’espace dont on connaît à l’avance les caractéristiques. À l’arrivée, si les données calculées par le modèle virtuel ressemblent à celles des mesures réelles, on peut estimer que les paramètres du modèle sont corrects. Ce n’est qu’alors que les chercheurs pourront effectuer des simulations pour le futur.

In fine, si les hypothèses de calcul des modèles théoriques collent aux mesures de terrain, elles pourront servir de base pour proposer une évolution probable des changements hydroclimatiques qui attendent la région jusqu’en 2100.

Cette étape de validation par comparaison étant cruciale, les chercheurs ont besoin d’augmenter la longueur dans le temps des séries de mesures. Et c’est dans la réalisation de cet objectif que la dendrochronologie s’avère une précieuse alliée.

À la suite de la campagne de prélèvement de bois de plusieurs espèces (cyprès de Patagonie, cèdre du Chili et araucaria du Chili) qui a eu lieu en février dans les Andes, s’ouvre maintenant la période d’exploitation des échantillons récoltés. Une première étape vers la connaissance du futur ?