La Météo 1°)

La météorologie est l'étude des phénomènes atmosphériques tels que les nuages, les dépressions et les précipitations pour comprendre comment ils se forment et évoluent. Le mot vient du grec antique où meteor désigne les particules en suspension dans l'atmosphère et logos veut dire discours ou connaissance.

C'est une discipline qui traite principalement de la mécanique des fluides appliquée à l'air mais qui fait usage de différentes autres branches de la physique, de la chimie et des mathématiques. À l'origine purement descriptive, la météorologie est rapidement devenue un lieu d'application de ces disciplines. La météorologie moderne permet d'établir des prévisions de l'évolution du temps en s'appuyant sur des modèles mathématiques à court comme à long terme. Elle est également appliquée pour la prévision de la qualité de l'air, pour les changements climatiques et pour l'étude dans plusieurs domaines de l'activité humaine (risques naturels, construction, trafic aérien, navigation, etc.)

Historique 

• 3000 av. J.-C.

Le chinois Nei Tsing Sou Wen écrit le premier ouvrage sur la météorologie qui comprend également des prévisions.

• 400 av. J.-C.

En Inde, les périodes de mousson mènent aux premières mesures de quantité de précipitations tombées ainsi qu'à des prévisions.

• 350 av. J.-C.

Le terme météorologie vient d'Aristote pour décrire ce qu'on appellerait les Sciences de la Terre de façon générale et non le domaine exclusif de l'étude de l'atmosphère. En particulier, il décrit le cycle hydrique ainsi :

Maintenant le soleil, se déplaçant comme il le fait, met en branle un processus de changement, de devenir et de déclin qui par son action élève la plus fine et douce eau chaque jour, la dissout en vapeur et la transporte vers les hauteurs où elle se condense à nouveau par le froid et retourne ensuite à la terre.

• 300 av. J.-C.

Le philosophe Théophraste publie « Les signes du temps », premier ouvrage de prévisions météorologiques en Europe.

• 1031-1095

Shen Kuo un lettré ayant vécu durant la dynastie des Song, en Chine, a travaillé entre autres choses en météorologie. Il a écrit plusieurs descriptions de tornades et a donné raison à une théorie de Sun Sikong, expliquant que les arcs-en-ciel qui sont formés par l'ombre du Soleil sous la pluie, se produisent lorsque le Soleil brille sur lui. Shen estima que, bien que les arbres étaient de plus en plus rares en raison de la déforestation pour les besoins de l'industrie du fer locale, « le pétrole était produit continuellement au sein de la Terre ».

• 1607

Galileo Galilei construit un thermoscope, l'ancêtre du thermomètre, bien que la paternité de cette invention soit contestée. Cet instrument change la pensée du temps car prend la mesure de ce qu'on pensait un des éléments immuables d'Aristote (feu, eau, air et chaleur). On commence donc à noter les variations du temps de façon limitée car il faudra attendre la création d'un standard de température par Daniel Gabriel Fahrenheit et Anders Celsius au XVIII^e siècle pour quantifier vraiment les choses.

• 1644

Evangelista Torricelli, un contemporain de Galilée, créa le premier vide artificiel en 1644 et développa dans le processus le premier baromètre. Le tube de Torricelli est un tube de verre qu'on a plongé dans le mercure pour enlever l'air puis qu'on redresse sans le sortir complètement du liquide. Par son poids, le mercure redescend et laisse un vide dans la tête du tube mais la différence de pression entre l'atmosphère, qui presse sur le liquide autour du tube, et le vide dans celui-ci empêche le mercure de sortir complètement du tube. La hauteur restante dans le tube est égale à la pression atmosphérique. Torricelli découvrit avec son invention que la pression de l'atmosphère varie dans le temps.

• 1648

Blaise Pascal découvre que la pression diminue avec l'altitude et en déduit qu'il y a un vide au-delà de l'atmosphère.

• 1667

Robert Hooke construit l'anémomètre pour mesurer la vitesse du vent.

• 1686

Edmund Halley cartographie les alizés et en déduit que les changements atmosphériques sont causés par le réchauffement solaire. Il confirme ainsi les découvertes de Pascal sur la pression atmosphérique.

• 1735

George Hadley est le premier à prendre en compte la rotation de la Terre pour expliquer les alizés. Bien que son explication ait été incorrecte, prédisant les vents de moitié moins forts que la réalité, son nom a été donné à la circulation dans les tropiques comme cellules de Hadley.

• 1743-1784

Benjamin Franklin observe quotidiennement et remarque que les systèmes météorologiques vont d'ouest en est en Amérique du Nord. Il publie la première carte scientifique du Gulf Stream, prouve que la foudre est un phénomène électrique, relie les éruptions volcaniques et le comportement de la météo et spécule sur les effets de la déforestation sur le climat.

• 1780

Horace-Bénédict de Saussure construit un hygromètre à cheveu pour mesurer l'humidité de l'air.

• 1802-1803

Luke Howard écrit On the Modification of Clouds dans lequel il donne les noms que nous connaissons maintenant aux nuages à partir du Latin.

• 1806

Francis Beaufort introduit son échelle descriptive des vents destinée aux marins. L'échelle de Beaufort relie les effets du vent sur les vagues (mer étale jusqu'aux vagues déferlantes avec écume) à sa force en nœuds.

• 1835

C'est dans un article Sur les équations du mouvement relatif des systèmes de corps que Gaspard-Gustave Coriolis décrivit mathématiquement la force qui porte son nom. Dans cet article, la force de Coriolis apparaît comme une composante supplémentaire à la force centrifuge, ressentie par un corps en mouvement relativement à un référentiel en rotation, comme cela pourrait se produire par exemple dans les rouages d'une machine. Cette force est essentielle dans la description du mouvement des systèmes météorologiques comme Hadley l'avait pressenti un siècle auparavant.

• 1837

Samuel Morse invente le télégraphe qui permettra la dissémination des informations dont celle des données météorologiques.

• 1838

William Reid  publie sa controversée Law of Storms qui décrit le comportement des dépressions. Son ouvrage divise la communauté scientifique durant dix années.

• 1841

Elias Loomis est le premier à suggérer la présence de fronts pour expliquer la météo mais ce n'est qu'après la Première Guerre Mondiale que l'école norvégienne de météorologie développera ce concept.

• 1849

Le Smithsonian Institution, sous la direction de Joseph Henry  commence à mettre sur pied un réseau de stations météorologiques d'observation aux États-Unis d'Amérique.

• 1854

Le 14 novembre, une violente tempête provoque le naufrage de 41 navires français en mer Noire, au cours de la guerre de Crimée. Cette tempête avait traversé toute l'Europe de l'Ouest, mais personne ne fut en mesure de signaler, voire prévenir du danger. Face à ce constat, Urbain Le Verrier, directeur de l'observatoire de Paris, décide de mettre en place un vaste réseau de stations météorologiques couvrant l'ensemble de l'Europe et mettant à profit l'innovation technologique que représente le récent télégraphe électrique. Ce réseau regroupe 24 stations dont 13 reliées par télégraphe, puis s'étendra à 59 observatoires répartis sur l'ensemble de l'Europe en 1865.

• 1860

Robert FitzRoy utilise le télégraphe pour colliger les données météorologiques quotidiennes venant de toute l'Angleterre et tracer les premières cartes synoptiques. En utilisant la variation de ces cartes dans le temps, il fait les premières prévisions qu'il commencera à publier dans le journal The Times en 1860. Il développe également un code par cônes hissés dans les ports anglais pour prévenir de l'arrivée de tempêtes.

• 1873

L'Organisation météorologique internationale est fondée à Vienne par les pays ayant un service météorologique. Le principal promoteur fut l'américain Matthew Fontaine Maury.

• 1902

Après plus de 200 lâchers de ballons, souvent effectués de nuit pour éviter l'effet de radiation du soleil, Léon Teisserenc de Bort découvrit la tropopause en 1902. Il en conclut que l'atmosphère terrestre se composait de deux couches, qu'il baptisa troposphère et stratosphère, une convention qui est toujours valable à ce jour.

• 1919

Les météorologistes norvégiens

^], sous la direction de Vilhelm Bjerknes, développent l'idée des masses d'air se rencontrant le long de zones de discontinuité qu'on nomma les fronts (front chaud, front froid et occlusion). Selon cette théorie, il y a trois zones frontales entre les quatre masses d'air:

• Arctique
• Maritime
• Polaire
• Tropicale

En alliant la force de Coriolis, ces notions et la force de pression, ils expliquèrent la génération, l'intensification et le déclin des systèmes météorologiques des latitudes moyennes. Le groupe comprenait Carl-Gustaf Rossby qui fut le premier à expliquer la circulation atmosphérique à grande échelle en termes de mécanique des fluides, Tor Bergeron qui détermina le mécanisme de formation de la pluie et Jacob Bjerknes.

Cette école de pensée se répandit mondialement. Encore aujourd'hui, les explications météorologiques simples que l'on voit dans les médias utilisent le vocabulaire de l'école norvégienne.

• 1922

La météorologie est en fait reliée à la mécanique des fluides (voir section science météorologique ci-dessous). En 1922, Lewis Fry Richardson publie Weather prediction by numerical process qui décrit comment les termes mineurs des équations de mouvement de l'air peuvent être négligés. Cette simplification permet de les résoudre plus facilement. Cependant ce ne sera qu'avec la venue des ordinateurs que son idée sera vraiment mise en pratique.

• Années 1950

Le développement des ordinateurs à la fin de la Seconde Guerre mondiale et durant les années 1950 mènera à la formulation de programmes informatiques pour résoudre les équations météorologiques. C'est le début de la prévision numérique du temps.

Le radar météorologique est développé à partir des études faites durant la guerre sur les échos de bruit causés par les précipitations:

• Aux États-Unis : développement des premiers radars météorologiques opérationnels grâce à plusieurs chercheurs, dont entre autres David Atlas.
• Au Canada : J. Stewart Marshall et R.H. Douglas forment le « Stormy Weather Group » à l’Université McGill de Montréal qui travailla sur la relation entre la réflectivité (Z), le retour d’intensité de la précipitation, et le taux de précipitation (R).
• En Grande-Bretagne, les recherches portent sur les caractéristiques des patrons des précipitations et sur les possibilités qu’offrent les différentes longueurs d'onde entre 1 et 10 centimètres.

• 1951

L'Organisation météorologique mondiale (OMM) est fondée par l'ONU en remplacement de l'Organisation météorologique internationale.

• Années 1960

En 1960, TIROS-1 est le premier succès de lancement d'un satellite météorologique. Celui-ci marque le début de la prise de données météorologiques depuis l'espace à une résolution de beaucoup supérieure aux stations terrestres en plus de sonder des endroits peu ou pas couverts antérieurement comme les océans, les déserts et les Pôles.

La théorie du chaos va être appliquée à l'atmosphère par Edward Lorenz au cours des années 1960. Ce concept va être développé plus tard (à partir des années 1990) dans les systèmes d'ensembles qui utilise des variations des données initiales dans plusieurs passes de modèles numériques pour voir la variabilité des résultats.

• Le développement des ordinateurs plus puissants dans les années 1970 et des superordinateurs dans les années 1980 mène à une meilleure résolution des modèles numériques.

• Les recherches sur l'atmosphère, les océans et leurs inter-relations, de phénomènes tels El Nino et les cyclones tropicaux mène à l'amélioration des connaissances des phénomènes météorologiques et il s'en suit une meilleure paramétrisation des équations.

• L'étude des tendances de températures et de la concentrations de CO₂ mènent à la prédiction d'un réchauffement global.

• Les instruments de prise de données ont grandement évolués depuis 1960 :

• automatisation ;
• amélioration des radars et des satellites météorologiques ainsi que de leur résolution. Ceci amenant des sondages directs de l'atmosphère ;
• développement des communications pour répandre mondialement les prévisions ainsi que les alertes météorologiques.

Science météorologique 

Le but de la météorologie est de trouver les lois régissant la dynamique du fluide que l'on nomme l'air et de pouvoir prédire son comportement futur. L'air est un fluide compressible, formé de différents gaz et se trouvant dans une mince couche à la surface d'un référentiel en rotation (la Terre). La météorologie étant une branche de la physique, la théorie des fluides, le calcul des forces et la thermodynamique sont mises à profit pour expliquer le comportement de l'atmosphère.

En premier lieu, pour expliquer le mouvement de l'air à l'échelle planétaire, dite synoptique, on se heurte à sept inconnues :

• Pression (P)
• Température (T)
• Densité de l'air ()
• Contenu en eau (q)
• Trois dimensions x, y et z

Il faut donc sept équations :

• les trois équations de Navier-Stokes de quantité de mouvement relient les forces de pression et de Coriolis selon les trois dimensions ;
• la loi des gaz parfaits relie pression et température ;
• l'équation hydrostatique relie la pression et l'altitude :

où g est la constante de gravité ;

• l'équation de continuité de masse relie la variation de la masse dans un volume d'air et sa forme dans le temps (voir équations de Navier-Stokes) ;
• l'équation de composition relie le contenu en eau de l'air et sa variation dans l'espace.

Les équations de bilan de l'énergie de la thermodynamique tiennent compte des changements de phase d'une des composantes importantes de l'atmosphère : l'eau.

Résoudre ces équations n'est pas facile car elles comportent de nombreux termes qui n'agissent pas tous à la même échelle. Par exemple, dans les équations de quantité de mouvement, les équations calculent le mouvement de l'air par la différence entre le gradient de pression et la force de Coriolis. Comme les forces en cause sont presque égales, la différence sera de quelques ordres de grandeur plus petite. Une erreur de calcul donne donc de grandes différences dans le résultat.

De plus, l'atmosphère est un système où les variables changent de valeur en chaque point. Il n'est pas possible de la sonder avec une résolution qui nous permettrait de parfaitement définir son état initial. C'est pourquoi, les premiers météorologues ont d'abord développé des modèles conceptuels empiriques pour expliquer le comportement de l'atmosphère. Les fronts, creux barométriques et autres termes si bien connus dans le vocabulaire des présentateurs météo proviennent de ces premières explications du temps. Elles ont été rendues possibles par le développement des moyens de sondage de l'atmosphère par l'aérologie.

Par la suite, les théories de la dynamique de l'atmosphère et les données obtenus par les radiosondages ont permis de développer des modèles mathématiques en utilisant seulement les termes les plus importants dans les équations et en simplifiant la structure de l'atmosphère. Avec l'avènement de l'informatique, les termes négligés ont pu être graduellement incorporés bien qu'on ne soit pas encore parvenus à les incorporer tous (voir Prévision numérique du temps).

Toutefois, la météorologie est encore handicapée par la très faible densité de données disponibles. Les stations de sondage sont éloignées de plusieurs centaines de kilomètres les unes des autres et même si des capteurs à distance tels les satellites et les radars augmentent la définition de l'analyse, toutes ces informations comportent des imprécisions assez grandes. C'est pourquoi, la prévision du temps est encore un mélange entre les calculs venant des équations et l'expérience du météorologiste.

Les équations vues précédemment comportent certaines hypothèses qui prennent pour acquis que les mouvements de l'air et la condensation se produisent assez lentement pour que la pression, la température et le contenu en eau s'adaptent graduellement. Cependant, lorsque l'on descend à des échelles plus petites, de l'ordre de quelques mètres à quelques kilomètres, et lorsque les mouvements sont rapides, certaines de ces équations ne sont que des approximations.

Par exemple, l'équation de l'équilibre hydrostatique n'est pas respectée dans les orages où l'eau contenue dans les volumes d'air en ascendance, condense plus lentement qu'on pourrait le penser. En effet, les variations de pression et de température se produisent non linéairement dans ce cas. Le rôle de plusieurs chercheurs en météorologie est donc d'enquêter sur les phénomènes à petite échelle comme les orages, les tornades et même sur des systèmes à plus large échelle, comme les cyclones tropicaux, qui comportent des items à fine échelle.

Les échanges de chaleur, d'humidité et de particules se produisent en plus grand partie dans la mince couche d'air juste au-dessus de la surface terrestre. Nous parlons ici de l'interaction océan-atmosphère, soulèvement orographique, convergence par le relief, zone urbaine versus rurale, etc. La friction est partout présente mais très variable dans cette couche et elle cause de la turbulence ce qui rend très complexe ces échanges. Ceci donne lieu à un paramétrisation de ceux-ci dans le calcul des équations. L'étude de la couche limite est donc un des domaines importants de la recherche en météorologie.

Les échelles précédentes étaient toutes reliés au comportement des systèmes météorologiques de quelques minutes à quelques jours. Il existe cependant des cycles qui durent des mois ou même des années. Ces comportements planétaires sont également régis par les équations primitives atmosphériques sous la forme de développement d'onde, comme les Ondes de Rossby, qui vont se propager dans l'atmosphère et donner des oscillations de résonance. L'étude de l'échelle planétaire est également reliée aux échanges de chaleur et d'humidité entre les Tropiques et les régions polaires.

Un exemple connu de cette échelle est le phénomène El Niño, une anomalie de température de la surface de la mer dans le Pacifique sud qui est relié à un changement des alizés dans cette région et qui revient à des intervalles variables. Moins connus sont l’Oscillation de Madden-Julian, l’Oscillation nord-atlantique et d'autres, qui influencent la trajectoire des dépressions des latitudes moyennes. Cette échelle tend vers celle de la climatologie.