Comment la recherche sur les armes nucléaires a révélé de nouvelles menaces climatiques

Après que la spécialiste de l'atmosphère Ivana Cvijanovic ait commencé à pousser une simulation climatique informatisée à ses limites, elle a remarqué un résultat inquiétant : alors que la banquise arctique disparaissait presque, d'énormes systèmes anticycloniques se sont accumulés à des milliers de kilomètres de là, au large de la côte ouest des États-Unis.

La crête atmosphérique a bloqué les tempêtes majeures à destination de la Californie, coupant les précipitations. Le modèle de Cvijanovic montre qu'à mesure que la glace de mer estivale du pôle Nord disparaît, comme prévu dans les prochaines décennies, elle pourrait fermer le robinet pour les agriculteurs de la vallée centrale, les stations de ski de la Sierra Nevada et les villes de l'État le plus peuplé du pays (voir L'année climatique Le changement a commencé à devenir incontrôlable).

La climatologue Ivana Cvijanovic a mené des travaux de terrain sur le versant nord de l'Alaska dans le cadre de ses recherches doctorales.

Les résultats, publié dans Communication Nature en décembre, suggèrent également que le rétrécissement de la glace de mer pourrait avoir joué un rôle dans la sécheresse extrême et coûteuse qui a sévi en Californie pendant la majeure partie de cette décennie. Cela était dû à une crête ridiculement résistante ressemblant étroitement à celle prédite par la simulation de Cvijanovic.

Les modèles climatiques sont souvent tournés en dérision comme des approximations peu fiables des systèmes complexes de la Terre, en particulier parmi les négationnistes du changement climatique. Mais grâce aux progrès de la puissance de calcul, à l'inclusion de plus de composants planétaires et à d'autres progrès techniques, ces simulations deviennent incroyablement puissantes.

Ils peuvent prédire avec une certitude croissante comment le réchauffement climatique modifie déjà la planète et comment il est susceptible de le faire à l'avenir. En particulier, les améliorations aident les scientifiques à démêler les mécanismes complexes à l'origine des événements météorologiques extrêmes.

Cvijanovic avait essayé d'étudier les liens déroutants entre la fonte des glaces et les changements lointains des précipitations pendant des années. Mais les modèles climatiques standard n'offraient pas de moyen de simuler les processus de manière réaliste, jusqu'à ce qu'une percée récente vienne d'une source improbable : la recherche sur les armes nucléaires.

Lancer à nouveau la pièce

La curiosité de Cvijanovic avait pris une nouvelle urgence au moment où elle a atterri en tant que chercheuse postdoctorale au Lawrence Livermore National Laboratory de Californie en 2014. Deux étés plus tôt, la banquise arctique avait fondu beaucoup plus rapidement que prévu par les scientifiques. Près de cinq millions de kilomètres carrés de glace ont disparu de la période de pointe fin mars, de loin la plus grande perte jamais enregistrée.

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C'était un signe flagrant que quelque chose n'allait pas dans les modèles climatiques - et à l'extrémité la plus effrayante du spectre.

Les modèles climatiques sont des simulations logicielles qui estiment comment la Terre réagit à diverses influences, comme des augmentations massives des émissions de dioxyde de carbone, en exécutant des équations mathématiques qui représentent notre meilleure compréhension des lois physiques. Ils calculent comment les conditions changeantes se répercutent dans le temps et dans l'espace, rendant les océans, la surface et l'atmosphère dans une grille 3D de boîtes. Au cours des dernières décennies, la résolution des modèles a considérablement augmenté : la zone que représente chaque boîte est passée de 500 kilomètres carrés à moins de 25 km dans certains cas, alors même que les modèles intégraient les aérosols, la glace de mer, la végétation et d'autres facteurs interconnectés. .

Malgré toutes ces vastes améliorations, cependant, il existe parfois encore de grands écarts entre ce que les modèles prédisent et le comportement du monde réel, comme l'a souligné la perte dramatique de glace de mer (voir Pourquoi les modèles climatiques ne sont pas meilleurs).

Cet événement a particulièrement attiré l'attention de Donald Lucas, chercheur à Lawrence Livermore. Il faisait partie d'une équipe de chercheurs sur le climat et de modélisateurs d'armes nucléaires au laboratoire qui avaient auparavant collaboré à un projet de trois ans visant à améliorer les niveaux de confiance dans les résultats des simulations climatiques.

Donald Lucas, chercheur à Lawrence Livermore, a mené un effort de recherche pour comprendre pourquoi la banquise arctique fondait plus rapidement que ne le prévoyaient les modèles climatiques.

Les États-Unis n'ont pas effectué d'explosions expérimentales d'armes nucléaires depuis 1992, ils doivent donc s'appuyer sur des inspections et des modèles pour évaluer la fiabilité du stock vieillissant. Les scientifiques de Lawrence Livermore utilisent depuis longtemps les superordinateurs du laboratoire pour simuler la dégradation de matériaux, comme le plutonium, et ont aidé à développer de nouvelles façons de calculer les niveaux de certitude.

Au lieu d'exécuter une simulation une fois, ils la répètent plusieurs fois, en ajustant légèrement certaines variables pour produire un éventail de possibilités. À partir de là, les chercheurs peuvent calculer la probabilité statistique de certains résultats en fonction, en partie, de la fréquence à laquelle ils se produisent dans les résultats et de leur correspondance avec les données des inspections physiques.

Vous revenez en arrière et lancez à nouveau la pièce, explique Lucas. Vous faites cela plusieurs fois et vous construisez une distribution de la probabilité de la sortie.

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Lui et ses collègues ont décidé d'appliquer la même approche aux modèles climatiques, en écrivant des programmes pour modifier des dizaines de paramètres dans le code source d'un modèle climatique public. Ils ont exploité environ la moitié d'un supercalculateur à Lawrence Livermore pendant près de trois ans, produisant 100 000 ans de simulations sur un large éventail de scénarios climatiques.

Mais à l'été 2012, Lucas s'est rendu compte que même ces résultats étaient loin de prédire la perte de glace de mer arctique qui s'est réellement produite. Alors lui et ses collègues ont entrepris une autre expérience de modélisation, axée sur la glace de mer. En consultant des experts sur les variables qui pourraient être en jeu et en modifiant ces paramètres, son équipe a pu simuler la disparition de beaucoup plus de glace de mer arctique, se rapprochant beaucoup plus de la réalité.

Trois variables représentaient 95 % du changement. Deux d'entre eux ont spécifié la taille des particules de neige sur la glace de mer, qui affecte la quantité de lumière solaire réfléchie. Le dernier, connu sous le nom de conductivité thermique de la neige, définit essentiellement la vitesse à laquelle la chaleur peut se déplacer à travers la glace. Comme les deux autres variables, elle est normalement traitée comme une constante dans le modèle de glace dédié utilisé par l'équipe. Mais dans ce cas, les chercheurs l'ont basculé dans une plage qui reflétait sa variabilité dans le monde réel.

Lucas s'arrête avant de dire qu'ils ont identifié les pièces de puzzle manquantes dans les modèles de glace de mer. Mais en permettant une gamme de variations plausibles, nous constatons que nous pouvons expliquer la plupart, mais pas la totalité, des différences entre les observations et les simulations [de modèle de glace de mer], a-t-il déclaré dans un e-mail.

Lucas teste de nouveaux supercalculateurs au Lawrence Livermore Lab.

La configuration parfaite

L'expérience a également créé un outil beaucoup plus fin pour Cvijanovic pour explorer la question qu'elle avait longtemps réfléchie : pourquoi les anciennes périodes de réchauffement rapide dans l'hémisphère nord, connues sous le nom de Dansgaard – Oeschger événements, semblent coïncider avec des changements spectaculaires de précipitations jusqu'aux tropiques ?

Vers la fin de son doctorat à l'Université de Copenhague, en 2011 et 2012, Cvijanovic faisait partie d'un groupe de modélisation qui tentait de donner un sens à ces brusques changements climatiques évidents dans les carottes de glace du Groenland.

Elle avait fait quelques tentatives grossières pour explorer ces connexions en ajoutant des flux d'énergie dans des simulations, ce qui a essentiellement augmenté la perte de glace de mer de manière artificielle. Mais le travail de son collègue à Lawrence Livermore lui a permis de modéliser la perte de glace extrême de manière plus réaliste, en ajustant les paramètres dans ce qui est considéré comme le niveau possible de variation dans la nature.

C'était cette configuration parfaite, dit-elle. Vous ne faites rien de non physique; vous ne trichez pas pour observer cette perte de glace de mer.

Cvijanovic s'est concentré sur les trois variables qui, selon les travaux de Lucas, avaient les effets les plus puissants. Elle a exécuté le modèle plusieurs dizaines de fois, augmentant finalement ces variables à l'extrémité de leurs plages. Il fallait parfois une semaine entière pour exécuter une seule analyse sur les supercalculateurs de Lawrence Livermore, le processus prenait donc des mois. Mais finalement, une image claire a commencé à se former.

Avec peu de glace pour renvoyer la chaleur dans l'espace, la région se réchauffe régulièrement. Une petite quantité de cette chaleur supplémentaire atteint les tropiques, mais elle est suffisante pour déclencher des changements de vent et de précipitations qui modifient les schémas de convection et de circulation. Celles-ci, à leur tour, produisent des vagues massives de zones de haute et basse pression dans l'atmosphère, créant une crête persistante qui atterrit dans le Pacifique Nord. Cette caractéristique dirige les tempêtes vers le nord, loin de la Californie et vers l'Alaska et le Canada.

Ce fut une expérience difficile qui dépendait d'années d'améliorations collectives de la technologie et des techniques de modélisation du climat. Des travaux supplémentaires sont nécessaires pour tester les résultats et déterminer comment d'autres processus peuvent amplifier ou diminuer l'effet de la fonte de la banquise arctique, selon d'autres scientifiques. Mais la simulation a fourni certaines des premières preuves réelles du lien théorique entre la perte de glace et les sécheresses lointaines, et elle a sonné un avertissement sévère sur les dangers imminents de la Californie.

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