Lorsque la zone de basse pression appelée Bernd a décidé de se garer sur une partie de l’Europe centrale à l’été 2021, les dangers associés aux événements de précipitations excessives sont devenus dramatiquement évidents sous la forme des inondations catastrophiques qui en ont résulté. Les relevés météorologiques montrent que les événements naturels extrêmes tels que les sécheresses, mais aussi les fortes pluies et les tempêtes de grêle résultant du changement climatique sont susceptibles de se produire plus fréquemment en Allemagne. Et ses conséquences pourraient être encore plus dévastatrices. Les grêlons, par exemple, peuvent endommager les cultures, les véhicules et les bâtiments, et peuvent également être dangereux pour les personnes et les animaux exposés. Il est d’autant plus important que les modèles météorologiques puissent prédire aussi précisément que possible la possibilité et l’étendue de telles précipitations. Pour ce faire, 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 grâce à de nouvelles expériences réalisées avec des grêlons artificiels de l’imprimante 3D. « Ce que nous avons appris jusqu’à présent, c’est que la forme des grêlons détermine leur vitesse avant l’impact », explique le Dr. Miklós Szakáll de l’Institut de physique atmosphérique (IPA) de JGU. L’équipe de Szakáll a pu montrer que les grêlons lobés développent moins d’énergie cinétique et donc moins de potentiel de destruction que les grêlons à surface lisse.
La grêle et le grésil, comme on appelle les petits granules de glace molle écrasés, se forment lorsque les gouttelettes d’eau gèlent dans les nuages orageux. Ce processus de congélation est favorisé par la turbulence et les processus physiques complexes de ces nuages, qui peuvent s’étendre à de très hautes altitudes. Ces particules de glace fondent lorsqu’elles traversent des couches d’air plus chaudes en descendant. Il en résulte de grosses gouttes de pluie froides, qui sont souvent la cause d’averses extrêmes. En supposant que les particules de glace n’ont pas le temps de fondre complètement avant de toucher le sol, elles arrivent sous forme de grêle ou de grésil.
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 en 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 grésil à partir d’eau gelée en laboratoire. Dans des conditions réalistes de température et d’humidité, les chercheurs ont examiné de près comment ceux-ci tombaient ou fondaient dans la soufflerie verticale. Ils ont également utilisé une imprimante 3D pour produire de la grêle artificielle et des boulettes grises à partir de leurs homologues naturels – même la densité du matériau correspondait à celle de la glace. Ils l’ont utilisé pour mesurer les propriétés de chute libre des objets qui coulent, des facteurs particulièrement pertinents pour les processus microphysiques impliqués dans les événements de précipitations extrêmes.
La grêle et les pastilles grises ont été suspendues librement dans un flux d’air vertical généré 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 conçu.
« Si nous appliquons les connaissances que nous avons tirées de ces expériences sur les aspects microphysiques des précipitations aux modèles utilisés pour analyser les nuages orageux, nous pouvons mieux anticiper ce qu’ils feront », explique le professeur Stephan Borrmann de l’IPA et directeur de l’Institut Max Planck de chimie. « Ceci est particulièrement important compte tenu de l’augmentation attendue des phénomènes météorologiques extrêmes tels que les sécheresses et les fortes pluies, qui se produiront également sous nos latitudes en raison du changement climatique », a souligné Borrmann.
Les expériences à Mayence ont été réalisées dans le cadre du projet HydroCOMET financé par la Fondation allemande pour la recherche (DFG). Les résultats ont été publiés dans cinq revues spécialisées et sous forme de contribution à un livre.
Les experts qui ont examiné les résultats d’HydroCOMET ont évalué très positivement les expériences de laboratoire menées à Mayence et les publications associées. En particulier, ils ont souligné le rôle important de l’infrastructure existante, à savoir la soufflerie verticale.
sources de l’histoire :
Matériel fourni par Université Johannes Gutenberg de Mayence. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.