Le climat se réchauffe donc. On s'en fout?

Le changement climatique a un problème de relations publiques en Amérique. Depuis des décennies, nous l'avons appelé 'le réchauffement climatique, ' une phrase à consonance anodine invoquant une légère augmentation des températures mondiales, comme monter le thermostat dans une maison.

"Les gens ont demandé, donc le climat se réchauffe. Qui s'en soucie ?", a déclaré Michael B. McElroy, le professeur Gilbert Butler d'études environnementales à l'Université Harvard. "Et les scientifiques sont en partie à blâmer pour cela à cause de la façon dont nous avons décrit le changement climatique."

Il a été difficile d'inquiéter les Américains à propos d'une augmentation de température d'un degré sur une période de 100 ans, surtout lorsque la plupart des images associées au réchauffement climatique – des calottes glaciaires en ruine ou un ours polaire solitaire traversant un paysage fondu – semblent si lointaines.

Mais le changement climatique est là. Atténuer les effets du réchauffement climatique, mieux décrit comme des changements irréversibles de la structure climatique, c'est bien plus que sauver la planète à plus long terme; il s'agit de sauver des vies humaines à court terme.

Des tempêtes violentes et des inondations catastrophiques aux sécheresses record et aux incendies de forêt meurtriers, Les Américains vivent tous les jours avec les conséquences d'un changement climatique. Toujours, la majorité des Américains ne pensaient pas que le changement climatique leur porterait préjudice personnellement, selon une étude de l'Université de Yale. Ce lien – entre le changement climatique et la santé humaine – a été, en grande partie, absent des conversations publiques et du débat politique en Amérique aujourd'hui.

Des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) explorent ce lien entre la santé humaine et le changement climatique. Parmi leurs découvertes :En Pennsylvanie, jours avec des niveaux d'ozone de surface dangereusement élevés pourraient augmenter de 100 pour cent dans les décennies à venir, augmenter le risque d'asthme et d'autres maladies respiratoires chez les enfants. Les feux de forêt à Washington pourraient étouffer les zones densément peuplées pendant des jours fumée nocive. De violentes tempêtes au Texas, Oklahoma, Nebraska, Iowa, les Dakotas et les États voisins pourraient épuiser l'ozone protecteur dans la stratosphère, exposer les humains, le bétail et les cultures aux rayons ultraviolets nocifs.

Est des États-Unis :la chaleur monte

Si le monde réduisait demain toutes ses émissions de carbone, les températures ont déjà suffisamment augmenté pour provoquer des vagues de chaleur plus sévères et prolongées. La chaleur extrême a de graves répercussions sur la santé humaine. Selon les taux d'humidité, une exposition prolongée à plus de 100 degrés-jours peut entraîner un coup de chaleur et une déshydratation, ainsi que cardio-vasculaire, respiratoire, et les maladies cérébrovasculaires.

Dans la dernière décennie, les vagues de chaleur extrêmes aux États-Unis ont tué des centaines de personnes, principalement des personnes âgées et pauvres dans les zones urbaines, et coûter des dizaines de milliards de dégâts. Les villes du Nord, comme Chicago, New York, Philadelphie et Boston, qui sont moins préparés à faire face à des températures excessives, seront probablement confrontés au fardeau de santé publique des vagues de chaleur dans les années à venir.

Avec peu de capacité à arrêter les futures vagues de chaleur, la meilleure option pour atténuer les dommages est la préparation. Améliorer notre capacité à prédire avec précision les vagues de chaleur peut sauver des vies.

La plupart des modèles actuels ne peuvent pas prévoir au-delà d'environ 10 jours et les modèles saisonniers ont une capacité limitée à prédire les événements extrêmes. En 2012, par exemple, le Centre de prévision climatique du National Weather Service a plutôt prévu des températures estivales normales dans le nord-est et le Midwest des États-Unis, les régions ont connu trois des épisodes de chaleur record en juin et juillet qui ont fait plus de 100 décès.

Peter Huybers, Professeur de sciences de la Terre et des planètes au Département des sciences de la Terre et des planètes et des sciences et de l'ingénierie de l'environnement à SEAS, s'efforce de comprendre et de prédire ces pics de température mortels. Huybers et son laboratoire ont identifié des modèles de température de surface de la mer qui peuvent prédire des risques accrus de vagues de chaleur extrêmes dans l'est des États-Unis jusqu'à 50 jours à l'avance. Ces motifs, comme une empreinte digitale à la surface de l'océan Pacifique, précèdent systématiquement les vagues de chaleur dans l'est des États-Unis.

L'équipe Huybers a constaté que le manque de précipitations, qui est connu pour contribuer aux vagues de chaleur, est également associée à cette empreinte digitale, connue sous le nom de Pacific Extreme Pattern. Bien qu'il ne garantisse pas qu'une vague de chaleur va frapper, voir ce schéma augmente considérablement les chances qu'un événement se produise.

"Notre technique était capable de prédire les vagues de chaleur précédentes, y compris les vagues de chaleur mortelles de 2012, et était habile lorsqu'il était appliqué à des événements antérieurs entre 1950 et 1980, " a déclaré Huybers. " Cependant, la technique ne prédit pas les années Dust Bowl des années 30, nous rappelant que d'autres facteurs environnementaux doivent également être importants."

Huybers et ses collègues poursuivent leurs recherches sur ce lien, repousser l'horizon sur la prévision des vagues de chaleur estivales dans l'est des États-Unis

Avec plus de temps pour se préparer, les entreprises de services publics pourraient s'assurer qu'elles disposent de suffisamment d'options d'alimentation pour faire face à une augmentation de la demande ; les agriculteurs pourraient modifier leurs tactiques d'irrigation pour éviter les pertes de récoltes; les urbanistes pourraient mettre en place des espaces de refroidissement pour les personnes âgées ou sans climatisation et intensifier les programmes de suivi des sans-abri et des confinés à la maison, Américains âgés souffrant de maladies chroniques.

Comme l'air se réchauffe en raison du changement climatique mondial, Les zones urbaines et suburbaines du nord-est pourraient également connaître une augmentation de l'ozone troposphérique, le méchant composé chimique qui constitue la majorité du smog, surtout en été.

L'ozone troposphérique est créé par des réactions chimiques impliquant des oxydes d'azote (NOx), composés organiques volatils (COV) et la lumière du soleil. Des usines, les centrales électriques et les voitures produisent la plupart des NOx aux États-Unis.

L'ozone est bien connu pour provoquer de graves maladies respiratoires et est particulièrement dangereux pour les enfants, personnes âgées, et les personnes souffrant d'asthme.

"Même une exposition à court terme à l'ozone pendant quelques heures ou quelques jours a été associée à de graves effets sur la santé, " a déclaré Loretta J. Mickley, Chercheur Senior en Interactions Chimie-Climat au sein du Groupe de Modélisation de la Chimie Atmosphérique. "Des niveaux élevés d'ozone peuvent exacerber les maladies pulmonaires chroniques et augmenter les taux de mortalité."

Les chercheurs savent depuis longtemps que la température et l'ozone sont liés :plus la température est élevée, plus les niveaux d'ozone sont élevés. Cependant, les chercheurs ont également établi que si les températures s'élèvent au-dessus du milieu des années 90 Fahrenheit, cette relation peut s'effondrer. Donc, la question est :comment la hausse des températures mondiales aura-t-elle un impact sur la gravité et la fréquence des jours avec des niveaux dangereusement élevés d'ozone au sol, connu sous le nom d'épisodes d'ozone?

Mickley et son équipe découvrent la relation complexe entre l'ozone et la hausse des températures aux États-Unis.

En 2016, L'étudiant diplômé Lu Shen et Mickley ont découvert que si les émissions locales et mondiales se poursuivent sans contrôle et que les températures augmentent comme prévu, les États-Unis pourraient voir une augmentation de 70 à 100 % des épisodes dangereux d'ozone, selon la région.

Le nord-est, Californie et certaines parties du sud-ouest, serait le plus touché, connaîtront jusqu'à neuf jours supplémentaires par an de niveaux d'ozone nocifs pour la santé au cours des 50 prochaines années. Le reste du pays pourrait connaître jusqu'à trois jours supplémentaires d'ozone malsain.

Qu'est-ce que cela signifie pour la santé aux États-Unis? Les admissions à l'hôpital et les visites aux urgences augmenteraient, cas d'affections respiratoires chroniques, comme l'asthme et la bronchite chronique, augmenterait, et plus de personnes pourraient mourir d'une maladie respiratoire.

"Nous avons besoin de contrôles d'émissions ambitieux pour compenser le potentiel de plus d'une semaine de jours supplémentaires avec des niveaux d'ozone malsains, " dit Mickley.

La bonne nouvelle, c'est nous avons déjà vu l'effet puissant de la réglementation sur les niveaux d'ozone aux États-Unis entre 1990 et 2016, les niveaux d'ozone ont considérablement diminué, surtout sur la côte est, grâce au Clean Air Act et à ses amendements, qui ciblait les précurseurs de l'ozone.

La mauvaise nouvelle est que les températures élevées peuvent renverser cette tendance.

Mickley et son équipe développent également des outils pour prédire quand et où les Américains sont le plus à risque d'augmenter les niveaux d'ozone à court terme.

Les chercheurs ont découvert que les niveaux élevés d'ozone en été dans l'est des États-Unis sont corrélés aux modèles météorologiques à grande échelle au printemps, y compris les températures de surface de la mer. L'équipe a utilisé cette relation pour prédire les niveaux moyens d'ozone en été une saison à l'avance.

"Un outil de prévision pourrait servir de système d'alerte précoce aux communautés les plus à risque pour les jours de forte concentration d'ozone, " a déclaré Mickley. " Les communautés locales pourraient mobiliser des ressources et planifier des protocoles pour aider leurs citoyens les plus à risque, y compris les enfants et les personnes âgées, pendant les épisodes de la prochaine saison de l'ozone. De tels protocoles pourraient inclure des avis aux personnes de rester à l'intérieur."

Tempêtes de brassage dans le Midwest

À mesure que les températures augmentent et que plus de vapeur d'eau s'évapore dans l'atmosphère, les tempêtes deviendront plus fréquentes et plus intenses, en particulier dans le Midwest.

Les inondations et les dommages associés à ces tempêtes menacent la vie et les moyens de subsistance des 60 millions de personnes vivant dans les États du Midwest, en particulier les agriculteurs qui comptent sur des modèles de précipitations prévisibles. Mais l'intensité de ces orages, combiné à des facteurs propres à la région des Grandes Plaines, peuvent également endommager la couche d'ozone protectrice qui protège la vie sur Terre des rayons ultraviolets nocifs.

James G. Anderson, le professeur Philip S. Weld de chimie atmosphérique à SEAS et le Département des sciences de la Terre et des planètes, étudie ce phénomène. En 2012, son équipe a découvert que lors d'intenses tempêtes estivales dans le Midwest, la vapeur d'eau de ces tempêtes est injectée profondément dans la stratosphère. En étudiant la perte d'ozone au-dessus de l'Arctique en hiver, Anderson et ses collaborateurs ont établi que des combinaisons de température et de vapeur d'eau convertissent des formes stables de chlore et de brome en radicaux libres capables de transformer les molécules d'ozone en oxygène, impliquant la vapeur d'eau injectée par les tempêtes dans la perte d'ozone au-dessus des États-Unis en été.

En utilisant des techniques radar avancées, Anderson et son équipe, y compris des chercheurs de Texas A&M et de l'Université de l'Oklahoma, ont récemment découvert que des milliers de tempêtes pénètrent chaque été dans la stratosphère pour alimenter ces réactions, bien plus qu'on ne le pensait auparavant.

"Plutôt que grand, la perte d'ozone à l'échelle continentale qui se produit au-dessus des régions polaires en hiver, ces observations radar et notre nouvelle haute précision, des mesures de température à haute résolution spatiale ont révélé que la structure de la perte d'ozone dans le centre des États-Unis est très localisée dans de nombreuses régions, ", a déclaré Anderson.

Ces réactions, en fonction de la température de la stratosphère, pourrait déclencher une diminution de 12 à 17 pour cent de l'ozone dans la basse stratosphère une semaine après une tempête. Cela correspond à une diminution de 2 à 3 pour cent de l'ozone stratosphérique dans la région de vapeur d'eau renforcée. Même une diminution de 1 pour cent de l'ozone stratosphérique peut entraîner une augmentation de 3 pour cent du cancer de la peau chez l'homme - il y a trois millions et demi de nouveaux cas de cancer de la peau diagnostiqués chaque année aux États-Unis seulement. Étant donné que le rayonnement ultraviolet altère également la chimie moléculaire de la photosynthèse, un tel changement pourrait également avoir un effet majeur sur l'agriculture dans le Midwest.

"Il ne s'agit pas seulement de la santé humaine, il s'agit des rendements des cultures, bétail, et la capacité de fonctionner pendant de longues périodes à l'extérieur en été, ", a déclaré Anderson.

Anderson et son laboratoire développent de nouvelles plateformes pour observer ce phénomène en action. Au cœur de cet effort se trouve une plate-forme de recherche appelée StratoCruiser, un ballon super-pression conçu pour collecter des données à 75 en moyenne, 000 pieds—bien dans la stratosphère.

Alimenté par un réseau de cellules solaires, le StratoCruiser survolera le centre des États-Unis pendant quatre à six semaines, recueillir des données sur la façon dont la vapeur d'eau injectée dans la stratosphère modifie les propriétés des particules et initie la série de réactions chimiques qui détruisent l'ozone.

Anderson et son équipe développent des instruments de détection suffisamment robustes pour résister aux vents et à la pluie provenant d'orages convectives intenses, mais suffisamment légers pour permettre à l'ensemble d'instruments, suspendu à un filament de Kevlar sous le ballon, pour prélever de l'air entre 40, 000ft et 75, 000 pieds.

Les instruments doivent fonctionner à des températures allant de moins 120 degrés à plus de 90 degrés Fahrenheit, résister à la basse pression de la haute atmosphère, s'alimenter et fonctionner de manière autonome pour la mission de six semaines.

Les étudiants de premier cycle de SEAS dans le cadre du projet de résolution de problèmes et de conception d'ingénierie d'Anderson (ES 96) jouent un rôle important dans la résolution de ces défis de conception. L'équipe d'étudiants qui a conçu un spectromètre mesurant l'acide chlorhydrique (HCl) dans l'atmosphère a reçu 200 $, 000 de la subvention du projet d'instrument pour étudiants de premier cycle de la NASA. Le nouvel instrument sera lancé par la NASA à l'automne 2017 à partir de Fort. Sumner, Nouveau Mexique.

Un autre projet ES 96 pour les étudiants de premier cycle consiste à concevoir et à construire une nouvelle classe d'instruments pour mesurer les radicaux libres et d'autres espèces réactives à partir d'avions stratosphériques à énergie solaire. Ces instruments, qui collectera des données sur les États-Unis en continu pendant trois mois, permettra de prévoir la quantité de rayonnement UV projetée pour des régions spécifiques des États des Grandes Plaines en été. L'avion stratosphérique à énergie solaire peut également faire le tour du globe pour obtenir des observations liées à la réponse de la structure climatique aux niveaux croissants de dioxyde de carbone et de méthane.

L'une des plus grandes questions auxquelles Anderson et d'autres veulent répondre est de savoir si le processus d'appauvrissement de la couche d'ozone est réversible.

Anderson sait à quel point la science bien communiquée peut stimuler l'action contre le changement climatique. Ce sont ses recherches à la fin des années 1980 qui ont finalement prouvé le lien entre les chlorofluorocarbures (CFC) des bombes aérosols, climatiseurs et réfrigérateurs et le trou dans la couche d'ozone de l'Antarctique. La découverte a été l'étape clé vers l'acceptation publique de la connexion, qui a finalement conduit à l'élimination des CFC en vertu du Protocole de Montréal de 197 pays signé en 1987.

« Nous avons vu le pouvoir de la réglementation et de la législation lorsque les puissances mondiales se sont réunies et ont décidé d'interdire les CFC, " dit Anderson. " Après cela, nous pensions avoir résolu le problème de l'appauvrissement de la couche d'ozone. Maintenant, cela pourrait être bien pire que ce que nous pensions par le changement climatique. Si nous continuons sur cette voie, les diminutions de l'ozone et les augmentations associées de la dose d'UV pourraient être irréversibles."

L'Occident brûle

Rien qu'en 2016, plus de 67, 000 incendies de forêt ont brûlé plus de 5,5 millions d'acres aux États-Unis, une superficie équivalente à la taille du New Jersey. Si le réchauffement climatique se poursuit, les modèles prédisent que d'ici 2050, la saison des feux de forêt dans l'ouest des États-Unis sera d'environ trois semaines de plus, deux fois plus enfumé, et brûlera plus de surface. Dans les décennies à venir, la superficie brûlée en août pourrait augmenter de 65 pour cent dans le nord-ouest du Pacifique; pourrait presque doubler dans les montagnes Rocheuses orientales/Grandes plaines ; et quadruple dans la région de la forêt des montagnes Rocheuses.

Mais les incendies de forêt menacent plus que les terres et les maisons. La fumée qu'ils produisent contient des particules qui peuvent contaminer l'air à des centaines de kilomètres. À mesure que les feux de forêt augmentent en fréquence et en intensité, de plus en plus de communautés sont à risque d'exposition prolongée à des niveaux nocifs de fumée, y compris les zones fortement peuplées telles que San Francisco en Californie, Alameda, et les comtés de Contra Costa, et le comté de King à Washington.

Mickley et le groupe de modélisation de la chimie atmosphérique développent des outils pour prédire l'impact des incendies de forêt sur la qualité de l'air. Le travail fait partie d'une collaboration avec l'Université de Yale.

Entre 2004 et 2009, environ 57 millions de personnes dans l'ouest des États-Unis ont subi une vague de fumée, un terme inventé par Mickley et ses collègues pour décrire deux jours consécutifs ou plus de niveaux malsains de fumée provenant d'incendies. Entre 2046 et 2051, l'équipe a estimé que plus de 82 millions de personnes sont susceptibles d'être affectées par les vagues de fumée, principalement en Californie du Nord, L'ouest de l'Oregon et les Grandes Plaines, où le combustible est abondant.

Partout dans l'ouest des États-Unis, le changement climatique entraînera probablement des vagues de fumée plus longues, plus intense, et plus fréquent. Environ 13 millions d'enfants et de personnes âgées de plus, qui présentent un risque plus élevé de maladie respiratoire, seront touchés par les vagues de fumée par rapport à aujourd'hui.

Mickley et son équipe ont développé un modèle pour prédire, au niveau départemental, zones les plus exposées aux vagues de fumée. Le modèle permettrait aux gouvernements locaux ou au Service forestier des États-Unis de donner la priorité à ces zones dans les efforts d'atténuation des incendies, tels que le nettoyage des sous-bois secs ou la réalisation de brûlages contrôlés.

"Peu importe ce qui allume un feu de forêt, que ce soit par la foudre ou la négligence humaine, la propagation d'un incendie est déterminée par la disponibilité de sec, combustible facilement combustible, " a déclaré Mickley. " Nous voyons actuellement et nous continuerons de voir dans les décennies à venir, des températures plus chaudes augmentent l'approvisionnement de ce carburant. Les incendies massifs de 2016 sont probablement une indication de ce qui va arriver."

La pollution ne connaît pas de frontières

Ce ne sont pas seulement les États-Unis continentaux qui sont confrontés aux conséquences sur la santé du changement climatique mondial. Alaska, Hawaï et de nombreux territoires américains sont en première ligne du changement climatique.

En 2016, un DC-8 chargé d'instruments scientifiques a décollé de Palmdale, Californie, montant à travers un ciel épais avec de la fumée de feu de forêt et du smog de la ville voisine de Los Angeles.

C'était un bon début pour la première étape de la mission de tomographie atmosphérique (ATom), dirigé par Steven C. Wofsy, le professeur Abbott Lawrence Rotch de sciences atmosphériques et environnementales à SEAS et au Département des sciences de la Terre et des planètes. Depuis 2016, la mission Atom a effectué deux voyages autour du monde, de pôle à pôle, en prenant des mesures atmosphériques pour comprendre comment la pollution et les gaz à effet de serre se déplacent dans l'atmosphère.

La mission Atom, en partenariat avec la NASA, effectuera un total de quatre voyages autour du monde. Les données qu'il recueille contribueront à améliorer la précision des modèles environnementaux qui éclairent les politiques climatiques.

Cette première étape a donné à l'équipe de recherche une vue qui donne à réfléchir sur l'ampleur du changement climatique en Amérique et dans les territoires américains. Plusieurs heures après avoir quitté la chaleur torride et les feux de forêt de Californie, l'équipe a survolé l'Alaska, où de grandes flaques d'eau sombre ont perturbé ce qui aurait dû être une feuille continue de blanc, glace polaire.

"Le contraste entre les environnements n'aurait pas pu être plus dramatique encore, les deux endroits subissaient d'énormes impacts du réchauffement climatique, " dit Wofsy.

Et même si aucun incendie majeur ne brûlait dans le nord de l'Alaska lorsque l'équipe Atom a effectué sa première mission, les chercheurs ont enregistré des niveaux élevés de pollution provenant d'incendies de forêt brûlant à des centaines de kilomètres, dans les forêts de Sibérie.

"La pollution peut être transportée n'importe où, " dit Roisin Commane, associé de recherche en sciences et ingénierie de l'environnement à SEAS et membre de l'équipe Atom. "Nous avons vu de la pollution à des milliers de kilomètres du rivage, dans ce qui aurait dû être l'un des airs les plus purs du monde. Nous avons vu la pollution de l'Asie transportée sur l'océan Pacifique et la pollution des États-Unis sur l'Atlantique. La pollution n'a pas de frontières."

Espoir d'ingénierie

Ces conséquences du réchauffement climatique aux États-Unis ne connaissent pas non plus de frontières - elles affectent les Américains jeunes et moins jeunes, Les citadins de la côte Est et les agriculteurs du Midwest.

En plus de mener des efforts pour comprendre les systèmes qui contribuent au réchauffement de la planète, les chercheurs de SEAS développent également de nouveaux outils et technologies pour aider à inverser, ou au moins lent, le processus. Cela inclut des projets visant à générer de l'énergie propre et à la stocker dans des batteries de longue durée.

Eric Mazur, le professeur Balkanski de physique et de physique appliquée, a étudié les propriétés des structures nanométriques dans le silicium, qui ont des applications prometteuses pour améliorer la capacité des cellules solaires. Jennifer Lewis, le professeur Hansjörg Wyss de génie biologiquement inspiré, a aidé à développer des matériaux pour la capture et la séquestration du carbone.

les professeurs Michael Aziz, le professeur Gene et Tracy Sykes des technologies des matériaux et de l'énergie; et Roy Gordon, le professeur de chimie Thomas Dudley Cabot et professeur de science des matériaux, se développent non toxique, des batteries à flux durables et économiques pour stocker l'énergie provenant de sources d'énergie intermittentes, comme le vent et le solaire.

Les étudiants de premier cycle de SEAS s'impliquent également dans l'effort sur le campus de Harvard.

Dans une classe ES96, Les étudiants de SEAS ont travaillé avec le Bureau de la durabilité de l'université pour évaluer les approches de la résilience au changement climatique et développer des stratégies pour améliorer l'intégrité du réseau électrique, refroidir les bâtiments en cas de chaleur extrême, et minimiser les dommages causés par les inondations.

« Bien que nous puissions avoir un dysfonctionnement à Washington, certaines parties des États-Unis font des choses sérieuses contre le changement climatique, " a déclaré McElroy. " La Californie et la Nouvelle-Angleterre sont de brillants exemples. Les maires des grandes villes américaines ont été des leaders dans la résolution de ces problèmes. Donc, du côté optimiste, il y a des signes que les gens peuvent se rassembler et faire avancer les choses."

Il est important de ne pas perdre cet optimisme, dit Wofsy.

Lui et l'équipe Atom ont vu autre chose lors de ce premier vol en provenance de Californie :des parcs solaires et éoliens produisant de l'électricité sans carbone.

"Cette vue était beaucoup plus optimiste, " dit Wofsy. " Si nous appliquons nos esprits et nos ressources au problème, nous pouvons faire des progrès significatifs pour ralentir l'augmentation du CO2 atmosphérique. Mais c'est un défi générationnel."