Progrès dans les prévisions météorologiques.


Vendredi 5 Avril 2019


On a longtemps cru que les variations du climat étaient imprévisibles et l’espèce humaine a continuellement souffert d’accidents météorologiques qui n’avaient pas été prévus. Les choses ont peu à peu évolué au point que l’on incrimine maintenant les services météorologiques lorsqu’un accident climatique n’a pas été annoncé avec suffisamment de précision.

Le centième anniversaire de la société Américaine de météorologie a été l’occasion pour que des chercheurs* fassent une mise au point sur ce qu’ont été ces progrès.

En 1938, un ouragan a frappé la côte de la Nouvelle Angleterre aux Etats Unis, sans aucune alerte météorologique, il y eut 600 morts. Aujourd’hui grâce aux alertes et bien que les populations côtières soient plus importantes, le nombre de décès est généralement très faible. Les prévisions des ouragans à 72 heures sont plus fiables maintenant qu’elles ne l’étaient à 24 heures il y a  40 ans ; elles permettent de mettre les populations à l’abri et de préserver ce qui peut l’être. Les prévisions numériques du temps à 5 jours, données par les centres météorologiques, sont plus précises que celles à 1 jour données en 1980 ! Des prévisions utiles à 9 ou 10 jours sont déjà émises.

Ces progrès sont dus à l’amélioration des méthodes d’observation, à la modélisation et au stockage de données. L’observation a fait des progrès gigantesques grâce aux satellites météorologiques qui photographient plusieurs fois par jour la couverture atmosphérique. L’utilisation d’ordinateurs plus rapides et plus puissants a permis d’établir des modèles à partir d’une quantité énorme de données ; enfin une meilleure connaissance de la physique atmosphérique et de sa dynamique ont contribué aussi à conforter la véracité des modèles.

Le problème de l’établissement de prévisions fiables tient au fait que les données concernant l’état de l’atmosphère à un moment donné sont incomplètes ou incertaines ; les modèles que l’on bâtit sont dépendants de données initiales imparfaites, il faut donc les corriger au fur et à mesure que de nouvelles données sont recueillies. C’est ainsi que l’on améliore fortement sa capacité prédictive.  On peut aussi établir plusieurs modèles numériques à partir de données initiales légèrement différentes mais toutes également possibles.

Certaines caractéristiques annuelles du système climatique telles que la survenue des moussons sont plus persistantes que la variation du temps au jour le jour, on devrait pouvoir, sur ces systèmes, faire des prévisions saisonnières, annuelles et même pluriannuelles.

Il faut aller vers l’amélioration des prévisions d’autres phénomènes environnementaux liés au climat. La survenue d’inondations provoquées par les tempêtes affectent gravement les zones côtières ; celles consécutives à des pluies orageuses intenses font déborder brutalement les eaux des rivières et provoquent de graves dégâts aux habitations riveraines.  Les incendies émettent des microparticules qui polluent l’atmosphère et peuvent affecter la santé des personnes vulnérables. L’installation d’éoliennes ou de fermes photovoltaïques nécessite une bonne connaissance des conditions locales de la fréquence des vents et de la durée de l’ensoleillement etc.

Comment améliorer encore les prévisions météorologiques ? Il faudra maintenir et améliorer la collecte des données en visant des régions et des périodes d’intérêt spécial, en utilisant de plus en plus des sondes automatiques. Ces nouvelles données ne seront utiles que si elles sont assimilées dans les modèles prévisionnels. L’amélioration des modèles eux-mêmes nécessite une meilleure connaissance des phénomènes physiques : interactions mer-air, nuages–aérosols. Le calcul est essentiel, l’utilisation d’ordinateurs puissants et rapides est indispensable pour traiter simultanément des ensembles de modèles prévisionnels.

Les investissements nécessaires aux prévisions météorologiques sont importants mais, selon les auteurs, les retours sont de 3 à 10 fois supérieurs. Ils notent que les pays en voie de développement devraient, eux aussi, bénéficier de systèmes prévisionnels de qualité.

* R.B. Alley et al. Science, 25 janvier 2019, N°6425, pp. 342-344.     

Vers des systèmes agricoles renouvelés et durables.


Mardi 5 Mars 2019


Il n’y avait pas jusqu’ici de vision globale sur ce que devrait être une agriculture qui « maintien ou accroît la production tout en améliorant les résultats environnementaux » ; un Chercheur* s’est attelé à ce sujet et nous présente un ensemble de préconisations qui valent de schéma général et qu’il appelle « intensification soutenable » (durable).

Pour cet auteur il s’agit de développer des synergies entre les systèmes agricoles et leurs composantes environnementales ; en fait l’agriculture ne doit pas détruire le système paysager qui l’entoure mais s’y insérer de manière à ce que les profits soient réciproques. Le concept est ouvert, il porte son effort sur les résultats plutôt que sur les moyens ; il peut être appliqué à une entreprise de taille quelconque et ne prédétermine ni les technologies, ni les types de productions, ni les modèles à appliquer.

Ce projet vers la durabilité comporte trois recommandations :

L’efficacité se propose une réduction des pertes sur les intrants (nécessaires à l’activité agricoles) et sur les produits (résultats de l’activité agricole).     
Les pratiques agricoles produisent beaucoup de déchets. Les pertes des produits agrochimiques affectent l’environnement, les pertes de récolte réduisent la quantité de nourriture qui sera utilisable. L’efficacité consistera à mieux utiliser les fournitures : engrais, pesticides, eau etc. c’est l’objet de l’agriculture de précision. Il faut remarquer que celle-ci suppose des moyens techniques importants (capteurs, drones, satellites météorologiques etc.) et de bonnes connaissances en biologie. L’agriculteur doit être un excellent technicien.

La substitution se propose de remplacer les technologies et les pratiques agricoles existantes. On substituera, aux cultures du sol, des techniques  plus économes et respectueuses de sa conservation, ainsi on aura recours aux cultures hydroponiques, on préférera les cultures sans labours, les semis directs. On substituera aux pesticides de synthèse des agents de contrôle biologique. On remplacera les producteurs actuels par d’autres plus efficaces issus de la sélection : variétés ou races animales qui convertissent mieux les intrants en biomasse, qui sont mieux adaptées au climat, aux sols, aux parasites.

Le remodelage des systèmes a pour but de maîtriser les processus écologiques que sont : la prédation, le parasitisme, l’herbivorie, la fixation de l’azote, la pollinisation, les dépendances alimentaires etc. Le premier souhait étant de moduler les émissions de gaz à effet de serre, de fournir de l’eau propre, de maximiser la séquestration du carbone, de promouvoir la biodiversité, de disperser et d’atténuer les effets des pestes, pathogènes et mauvaises herbes. Le remodelage doit être l’action la plus transformatrice du projet ; elle aura un effet multiplicatif sur les systèmes de production alors que les deux premières recommandations n’ont qu’un effet additif.

Peut-on à la fois accroître la production tout en protégeant l’environnement ? L’approche multiplicative améliore les rendements en combinant l’utilisation de nouvelles variétés et une direction agro-écologique de l’exploitation ; l’approche additive nécessite une diversification des fermes en un large assortiment de cultures à l’opposé de la monoculture actuelle.

Les traitements conventionnels des pestes et parasites posent problème car, bien souvent non spécifiques, ils détruisent de nombreuses espèces naturelles non parasites (la baisse du nombre d’insectes que nous observons témoigne de l’aberration de ces traitements) ; ils induisent aussi l’apparition de formes résistantes. Un traitement intégré des pestes et parasites est nécessaire ce doit être une boite à outils d’interventions qui combine l’utilisation de pesticides spécifiques avec des techniques agronomiques  et biologiques de contrôle des différentes classes de parasites des cultures.

La mise en place d’agrosystèmes ne peut se concevoir qu’à l’échelle du paysage car ils doivent fournir plusieurs services : production alimentaire, recyclage des aliments, lutte contre les parasites, conservation des sols, stockage du carbone, maintien de la diversité spécifique. Dès lors les actions individuelles libres sont insuffisantes la coopération est indispensable. Une nouvelle connaissance doit être créée collectivement.

Cette vision globale est intéressante ; ce n’est ni une agriculture biologique qui ne sera pas en mesure de nourrir les populations toujours croissantes, ni une agriculture raisonnée qui oublie un peu l’environnement naturel. L’auteur est conscient qu’elle nécessite des investissements importants notamment pour faire une agriculture de précision ; il faudra aussi former les futurs agriculteurs non seulement à la connaissance des techniques agricoles mais aussi à l’écologie. Conscient de ces difficultés il note modestement qu’il n’y a pas d’exigence de « point final parfait ».

* J. Pretty Science, 23 Novembre 2018, N°6417, pp.908-915     

Vers des systèmes agricoles renouvelés et durablesVers des systèmes agricoles renouvelés et durables

L'effet de serre


Mardi 5 Février 2019


Par son rayonnement, le soleil nous éclaire et nous apporte aussi de la chaleur. Grâce à l’analyse du spectre lumineux, nous connaissons communément :
- les ultraviolets invisibles qui provoquent « les coups de soleil en été » ces rayonnements ont une longueur d’onde comprise entre 0,01 micromètres et 0,40 micromètres, ils sont actifs pour la photosynthèse.
- les rayonnements visibles auxquels notre rétine est sensible ; leur longueur d’onde s’étale de 0,40 micromètres à 0,60 micromètres (violet 0,44 ; bleu 0,47 ; vert 0,54 ; jaune 0,58 ; orange 0,60 ; et rouge 0,62). L’arc en ciel, produit par les gouttes d’eau de pluie qui se comportent comme des prismes, nous restitue cette gamme de couleurs.
- les infrarouges invisibles, de longueur d’onde comprise entre 0,76 micromètres et 5 micromètres, sont les ondes énergétiques elles transportent la chaleur.

L’énergie apportée par ces infrarouges est diluée : 1kw par mètre carré de la surface terrestre au maximum, 0,1 kw en moyenne ; elle est intermittente : absente de nuit, faible par temps couvert. Cependant, s’il n’y avait pas de pertes de chaleur, la surface de la terre s’échaufferait et la vie y deviendrait impossible ; en fait la terre qui s’échauffe émet à son tour des infrarouges qui évacuent la chaleur vers le ciel. Le rapport entre l’énergie reçue et celle émise est l’albédo si la terre absorbait tous le infrarouges l’albédo serait égal à 0 et si elle renvoyait toutes les radiations il serait égal à 1.

L’effet de serre tient à ce que la terre ne réfléchit que des infrarouges dont la longueur d’onde est supérieure à 3 micromètres et que ces longueurs d’ondes sont absorbées par le plastique, le verre et certains gaz. Ainsi, la chaleur qu’ils transportent, est piégée par la présence de ces obstacles.

On a utilisé en agriculture cette propriété du verre et du plastique pour faire des serres ; dès lors qu’elles reçoivent de la lumière solaire, leur sol renvoie des infrarouges qui vont être piégés par les parois en verre ou en plastique de la serre, la chaleur intérieure y est ainsi supérieure à l’extérieur et les plantes peuvent y maintenir une activité de croissance. La serre prolonge ainsi la saison favorable aux plantes  et peut empêcher les dégâts de gel.
Les infrarouges réfléchis par la terre sont aussi arrêtés par certains gaz présents dans les couches atmosphériques ce sont des gaz à effet de serre  il y en a cinq principaux : la vapeur d’eau H2O, le dioxyde de carbone CO2, le méthane CH4, le protoxyde d’azote N2O et l’Ozone O3 ; ils vont intervenir ainsi puissamment sur notre climat car ils modifient plus ou moins rapidement la température de l’atmosphère.

La vapeur d’eau est un gaz qui coexiste avec son état liquide : le brouillard, selon les températures et les pressions présentes dans le milieu atmosphérique. C’est ce mélange gaz-brouillard qui constitue l’obstacle le plus efficace au passage des infrarouges. Son effet de serre est cependant très variable et limité car la teneur en vapeur d’eau de l’atmosphère est fonction du va et vient entre l’évaporation des eaux des océans et leur restitution au sol par condensation sous forme de pluies.

Les autres gaz à effet de serre ne changent pas d’état aux températures et pressions qui sévissent à la surface de la terre, leur concentration ne variait que très lentement dans les temps géologiques. Cependant l’homme a modifié cette situation ; il utilise comme source d’énergie,  depuis la révolution industrielle, le carbone fossile ; l’oxydation de celui-ci dans les moteurs produit des quantités colossales de dioxyde de carbone : CO2. Sa concentration dans l’atmosphère terrestre augmente rapidement car la demande photosynthétique principale utilisatrice de ce gaz reste stable sinon diminue. L’effet de serre supplémentaire qui découle de cette émission anthropique du CO2 est déjà perceptible dans le réchauffement climatique de la planète.

Le mouvement de l'eau dans les arbres


Dimanche 6 Janvier 2019


L’eau, aspirée par les racines dans le sol, est transportée vers les branches et les feuilles par le bois du tronc de l’arbre. Ce bois est constitué de vaisseaux formés par la paroi squelettique d’anciennes cellules allongées en prolongation les unes des autres, qui une fois mortes se sont vidées de leur contenu. La jonction de deux cellules du tuyau est libre chez les angiospermes ou garde la membrane primaire de la paroi squelettique cellulaire chez les gymnospermes, la paroi secondaire étant partiellement évidée pour former des trous on parle de tubes criblés.

La montée de la sève brute (celle qui est puisée dans le sol par les racines) doit se faire à l’encontre de plusieurs obstacles physiques : la force de gravité, les forces de friction le long des parois des vaisseaux, enfin le franchissement de la membrane primaire des tubes criblés des gymnospermes. La force de gravité est contrebalancée dans les 10 premiers mètres par la pression atmosphérique, en effet la pression de 1 atmosphère permet de faire monter dans un tube très fin une colonne d’eau jusqu’à 10 mètres environ. Mais au-delà que va-t-il se passer pour un arbre qui peut atteindre ou dépasser 30 mètres ?

L’explication de ce processus n’est pas encore entièrement satisfaisante ; il intervient à la fois la cohésion de l’eau dans les vaisseaux du bois et la transpiration au niveau des stomates foliaires.

Au niveau de la plantule la montée de la sève jusqu’aux feuilles ne pose aucun problème d’interprétation car la prise d’eau au niveau des racines crée une pression osmotique très importante qui fera face, sans difficultés, à la force de gravité qui s’exerce sur la sève présente dans les vaisseaux ; cependant à mesure que l’arbuste croît, l’effet de la pression racinaire s’atténue dans la tige et doit être secondée par une force de succion au niveau des feuilles.

Le parenchyme foliaire est constitué de cellules laissant des espaces libres qui contiennent de l’air humide. Au niveau des stomates, lorsqu’ils s’ouvrent, va se produire une évaporation qui appauvrit en eau l’air humide des cavités du parenchyme foliaire ; les cellules compensent cette perte d’eau mais leur pression osmotique s’accroît et il s’établit un gradient qui va des cellules de la feuilles jusqu’au pétiole et donc jusqu’aux faisceaux du bois. Cette nouvelle force tire vers le haut la colonne de sève et contribue ainsi à son ascension. C’est comme si on aspirait une boisson à l’aide d’une paille.

Enfin ceci n’est possible que si les forces qui agissent en attraction n’entraînent une rupture de la colonne de sève, il faut donc qu’il existe une force qui unit entr’elles des molécules d’eau voisines. Ces forces dites de cohésion, sont des liaisons hydrogènes. La rupture de la colonne de sève entraîne l’incapacité définitive du vaisseau du bois qui la contient à retrouver son activité conductrice ; si de nombreux vaisseaux d’un arbre sont endommagés sa vitalité est fortement affectée une telle situation peut intervenir à la suite d’une longue période de sècheresse.       

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