Un étudiant de l’Université de l’Alabama à Huntsville (UAH) affirme que son examen de l’influence combinée de la poussière et de la fumée sur les températures de l’atmosphère de surface en Afrique subsaharienne s’applique probablement aux conditions de l’Ouest américain, qui connaît actuellement sa pire sécheresse depuis plus de 1 200 ans.
La poussière vient naturellement, mais la plupart de la fumée provient de l’activité humaine ou de facteurs potentiellement d’origine humaine comme les incendies de forêt.
Dans l’Ouest, la poussière et la désertification forment probablement une boucle de rétroaction positive qui conduit à l’assèchement en raison de la moindre variation entre les températures diurnes et nocturnes, explique Christopher Phillips, doctorant en sciences atmosphériques à l’UAH, qui fait partie du système de l’Université de l’Alabama.
Dans une étude publiée dans le Journal of Geophysical Research: Atmosphèresc’est ce que Phillips a découvert avec les températures atmosphériques de surface en Afrique, où le Sahara s’agrandit.
« La fumée est un peu différente, cependant. La fumée refroidit la journée sans réchauffer la nuit. Cela supprime une partie de la rétroaction », explique Phillips, qui est conseillé par le professeur agrégé de sciences atmosphériques, le Dr Udaysankar Nair. « Nous avons constaté que la poussière domine sur la fumée en Afrique, donc je ne pense pas que cela changerait l’image globale du réchauffement de la surface. »
Les petites particules de carbone noir de la fumée sont très efficaces pour bloquer la lumière du soleil, que les scientifiques appellent le rayonnement à ondes courtes. Parce qu’elles mesurent moins de deux dixièmes de micron, les petites particules n’interagissent pas beaucoup avec ce que les scientifiques appellent le rayonnement à ondes longues de la Terre, qui est la reradiation de l’énergie solaire de la planète.
« Ainsi, lorsque la fumée est dense, elle refroidit beaucoup vos journées car elle bloque la lumière du soleil, mais elle ne modifie pas le budget énergétique nocturne car les aérosols de fumée n’interagissent pas avec les émissions de rayonnement à ondes longues de la Terre », explique Phillips.
Alors que son travail se concentre sur le réchauffement de surface, Phillips a également commenté les implications des résultats.
« Conceptuellement, la poussière et la fumée stabilisent l’atmosphère pendant la journée, ce qui réduit le risque de formation de nuages », dit-il. « Sans nuages, vous ne trouverez pas de pluie. De plus, d’autres études montrent que les précipitations africaines se produisent selon un cycle saisonnier lié à la température de l’océan Atlantique. Lorsque la poussière et la fumée sont soufflées au-dessus de l’océan, elles refroidissent l’eau, ce qui pourrait rendre les pluies saisonnières moins susceptibles de se former sur l’Afrique subsaharienne. »
Lorsque la poussière réchauffe la nuit, la quantité de rosée qui se forme sur les plantes peut être réduite, ce qui les stresse davantage, dit Phillips.
« Si les plantes meurent, alors plus de poussière peut être projetée dans l’atmosphère, stabilisant l’atmosphère et réchauffant encore plus la nuit. C’est le cœur de la boucle de rétroaction », dit-il.
La poussière contient des particules beaucoup plus grosses que la fumée. Ils peuvent avoir une taille de plusieurs microns et la poussière bloque la lumière du soleil comme le fait la fumée, mais elle absorbe également une fraction du rayonnement thermique de la Terre.
« Cette fraction absorbée ne va pas dans l’espace mais est renvoyée vers la surface. Essentiellement, la poussière agit comme une couverture isolant le sol la nuit. »
C’est similaire au comportement du CO2, un gaz à effet de serre, et c’était l’une des motivations des recherches de Phillips.
« Dans ces endroits arides et poussiéreux, comment séparer l’impact de la poussière du réchauffement des gaz à effet de serre ? Nous avons constaté que vous pouvez quantifier le réchauffement nocturne causé par la poussière, à l’aide de modèles météorologiques, mais vous devez examiner les combinaisons de fumée et poussière », dit Phillips.
« C’est parce que trop de fumée signifie que vous rafraîchissez vos journées sans l’effet de couverture la nuit », dit-il. « Nous avons constaté que lorsque la fumée est supérieure à environ la moitié, le refroidissement diurne devient supérieur au réchauffement nocturne. »
Pour étudier ces effets en Afrique, Phillips a utilisé une approche de modélisation informatique avec un modèle météorologique à une seule colonne qui ne prend en compte que les processus verticaux comme le transfert d’énergie dans l’atmosphère. Il a utilisé le cluster de calcul haute performance Matrix d’UAH.
« Ce n’est pas tout à fait un supercalculateur comme dans les grands laboratoires nationaux, mais c’est proche », dit Phillips. « Dans l’ensemble, je pense que nous avions près de 5 000 simulations à analyser, ce qui n’aurait pas été possible sans une sorte d’ordinateur haute performance. »
Le modèle a été développé en associant des mesures de ballons météorologiques et d’aérosols de l’expérience de combustion de la biomasse de poussière de 2006, qui a utilisé des avions pour mesurer la structure verticale des panaches de poussière et de fumée au-dessus de l’Afrique, et des données de ballons météorologiques de deux sites de recherche du département américain de l’énergie et de la NASA. au Niger.
« Nous avons trouvé deux grands processus qui agissent pour modifier la température de surface. Le premier est le processus radiatif dont nous avons déjà parlé, où les aérosols bloquent la lumière du soleil mais piègent le rayonnement thermique de la Terre », explique Phillips.
« La seconde est liée à la façon dont les aérosols stabilisent l’atmosphère. L’air près de la surface est connu sous le nom de couche limite planétaire. Il se développe lorsque la chaleur à la surface crée des tourbillons turbulents qui mélangent l’atmosphère, mais l’ajout de poussière et de fumée maintient la couche limite peu profonde. . En emprisonnant la chaleur dans une couche plus petite, les températures de surface augmentent. »
Phillips a découvert que cet effet entre en concurrence avec l’ombre créée par la poussière et la fumée et complique la façon dont les températures diurnes réagissent à la poussière. La nuit, cependant, les effets radiatifs et de la couche limite se combinent pour provoquer un réchauffement.
« Ces deux processus seront les mêmes, que vous soyez ici aux États-Unis ou en Afrique subsaharienne », déclare Phillips.
Tout en prenant soin de noter que l’atmosphère est un système très complexe et en constante évolution, Phillips dit que la sécheresse continue dans l’ouest des États-Unis crée de nombreuses boucles de rétroaction positives qui la perpétuent, comme une diminution de la couverture végétale qui diminue à la fois le mouvement de la vapeur d’eau du sol vers l’air. et augmente également les charges de poussière atmosphérique. Les deux effets peuvent réduire les risques de pluie.
« Je m’attendrais certainement à ce qu’une sécheresse prolongée provoque une expansion des déserts américains, et peut-être même transforme des régions semi-arides en zones arides », dit-il.
Du côté positif, l’agriculture occidentale a tendance à être bien irriguée, et Phillips dit que la recherche montre que la pratique aide à augmenter les précipitations.
Les grands modèles climatiques aideront également, dit-il. Des cycles comme El Nino et la Nina modifient considérablement les précipitations aux États-Unis et peuvent submerger des facteurs locaux tels que la poussière et la fumée.
« Inutile de dire que la nature est incroyablement complexe, et la poussière et la fumée ne sont qu’une pièce du puzzle », déclare Phillips.
« C’est pourquoi il est si important de continuer à faire avancer les progrès scientifiques et de réaliser des études toujours plus complètes qui examinent chaque pièce ensemble », dit-il. « Je suis fier de dire que notre article est un pas dans cette direction en associant l’impact des aérosols sur le transfert radiatif et la croissance de la couche limite. »
Christopher Phillips et al, L’influence des mélanges poussière-fumée sur les processus de la couche limite et le réchauffement nocturne au Sahel, Journal of Geophysical Research: Atmosphères (2022). DOI : 10.1029/2021JD036349