Grêle artificielle pour des prévisions météorologiques plus précises

Lorsque le système dépressionnaire surnommé Bernd a décidé de se garer sur une partie de l’Europe centrale à l’été 2021, les dangers associés aux précipitations excessives ont été mis en évidence de manière dramatique sous la forme des inondations catastrophiques qui en ont résulté. Les relevés météorologiques montrent que des événements naturels extrêmes tels que la sécheresse, mais aussi de fortes pluies et des tempêtes de grêle, sont susceptibles de se produire encore plus fréquemment dans cette partie du monde en raison du changement climatique. Et leurs conséquences pourraient devenir encore plus dévastatrices. Les grêlons, par exemple, peuvent endommager les cultures, les véhicules et les bâtiments et ils peuvent également être dangereux pour les humains et les animaux exposés. Il est donc d’autant plus important que les modèles météorologiques soient capables de prédire avec plus de précision la possibilité et l’étendue de telles précipitations. Pour cela, les modèles météorologiques numériques doivent être basés sur des interprétations mathématiques formulées avec précision des processus physiques dans les nuages.

La soufflerie verticale de l’Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU), unique au monde, fournit des informations essentielles à cet égard grâce à de nouvelles expériences menées à l’aide de grêlons artificiels fabriqués par une imprimante 3D.

« Une chose que nous avons apprise jusqu’à présent, c’est que c’est la forme des grêlons qui détermine leur vitesse avant l’impact », a expliqué le Dr Miklós Szakáll de l’Institut de physique atmosphérique (IPA) de JGU. L’équipe de Szakáll a pu démontrer que les grêlons lobés développent moins d’énergie cinétique et donc moins de potentiel destructeur que la grêle à surface lisse. Leur étude est publiée dans le Journal des sciences de l’atmosphère.

La grêle et le graupel – qui est le terme utilisé pour décrire les petites boulettes de glace molle précipitées – se forment lorsque les gouttelettes d’eau gèlent dans les nuages ​​​​d’orage. Ce processus de congélation est favorisé par des turbulences et des processus physiques complexes dans ces nuages ​​qui peuvent s’étendre à de très hautes altitudes. Ces particules de glace fondent si elles traversent des couches d’air plus chaudes en descendant. Le résultat est de grosses gouttes de pluie froides et ce sont souvent les coupables des précipitations extrêmes. En supposant que les particules de glace n’ont pas le temps de fondre complètement avant d’atteindre le sol, elles arrivent sous forme de grêle ou de graupel.

Expériences avec des grêlons naturels et artificiels

Les conditions à l’intérieur des nuages ​​déterminent la forme, la taille et la masse caractéristiques de ces gouttelettes gelées. « Dans nos expériences avec des grêlons naturels, nous avons vu qu’ils fondaient pour former des gouttes de pluie pouvant atteindre plusieurs millimètres de diamètre. Les gros grêlons peuvent également éclater pendant le processus de fonte, formant de nombreuses petites gouttelettes d’eau », a ajouté Szakáll. À partir des mesures enregistrées, son équipe a pu extrapoler des paramètres qu’ils pourraient utiliser comme éléments principaux pour la simulation numérique des nuages ​​et des précipitations dans des modèles informatiques.

L’équipe de recherche de Mayence a produit des grêlons et des particules de graupel à partir d’eau gelée en laboratoire. En utilisant des conditions de température et d’humidité réalistes, les chercheurs ont examiné de près comment celles-ci tombaient ou fondaient dans la soufflerie verticale. De plus, ils ont utilisé une imprimante 3D pour créer des boulettes artificielles de grêle et de graupel modelées sur leurs homologues naturels – même la densité du matériau correspondait à celle de la glace. Ils les ont utilisés pour mesurer les propriétés de chute libre des objets descendants, des facteurs particulièrement pertinents pour les processus microphysiques lors d’événements de précipitations extrêmes.

Les boulettes de grêle et de graupel étaient suspendues librement dans un courant d’air vertical produit artificiellement dans la soufflerie de six mètres de haut. Leur comportement a été enregistré à l’aide de caméras à haute vitesse et infrarouges et d’un système d’imagerie holographique spécialement développé.

« Si nous appliquons les connaissances sur les aspects microphysiques des précipitations que nous avons obtenues grâce à ces expériences aux modèles utilisés pour l’analyse des nuages ​​​​d’orage, nous pouvons mieux anticiper ce qu’ils feront », a expliqué le professeur Stephan Borrmann de l’IPA et directeur du Max Planck Institut de Chimie. « Cela devient particulièrement important compte tenu de l’augmentation probable des phénomènes météorologiques extrêmes, tels que la sécheresse et les pluies torrentielles, qui se produiront même dans notre partie du monde en raison du changement climatique », a souligné Borrmann.

Les expériences à Mayence ont été menées sous l’égide du projet HydroCOMET parrainé par la Fondation allemande pour la recherche (DFG). Les résultats ont été publiés dans cinq revues à comité de lecture et sous forme de contribution à un livre.

Les experts qui ont examiné les résultats d’HydroCOMET ont fourni des évaluations très positives des expériences de laboratoire réalisées à Mayence et des publications associées. Ils ont particulièrement souligné le rôle important joué par l’infrastructure disponible (c’est-à-dire la soufflerie verticale).