Météorologie - Définition

Introduction

La météorologie a pour objet l'étude des phénomènes atmosphériques tels que les nuages, les précipitations ou le vent dans le but de comprendre comment ils se forment et évoluent en fonction des paramètres mesurés tels que la pression, la température et l'humidité. 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 et de la thermodynamique mais qui fait usage de différentes autres branches de la physique, de la chimie et des mathématiques. Purement descriptive à l'origine , la météorologie est 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. La météorologie a des applications dans des domaines très divers comme les besoins militaires, la production d'énergie, les transports maritimes et terrestres, l'agriculture, la médecine, la construction, la photographie aérienne ou le cinéma. Elle est également appliquée pour la prévision de la qualité de l'air.

Historique

Antiquité

Pour toutes les civilisations, en particulier celles agricoles, le temps qu'il fera a toujours été une préoccupation importante. Vers 3000 av. J.-C., le chinois Nei Tsing Sou Wen écrit le premier ouvrage sur la météorologie, comprenant des observations et même des prévisions. En Inde, les périodes de mousson mènent aux premières mesures de quantité de précipitations tombées ainsi qu'à des prévisions vers 400 av. J.-C..

À la même époque, soit en 350 av. J.-C., le terme météorologie est créé par le philosophe grec 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.

Un autre philosophe Théophraste publie en 300 av. J.-C. « Les signes du temps », premier ouvrage de prévisions météorologiques en Europe.

Shen Kuo (1031-1095) 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 ».

Renaissance

Le Moyen Âge, une période de réorganisation après la chute de l'Empire romain, a vu une stagnation du point de vue scientifique. De plus, la religion y a pris une grande importance et ses dogmes laissaient peu de place aux libres penseurs. La période de la Renaissance qui l'a suivi a été très fertile en découvertes et en développements techniques. Les voyages de découverte ont pris de l'essor et avec eux les besoins en météorologie.

En 1607, Galilée construit un thermoscope, l'ancêtre du thermomètre, bien que la paternité de cette invention soit contestée. Cet instrument change la pensée du temps car il permet de prendre 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. 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.

En 1644, Evangelista Torricelli, un contemporain de Galilée, créa le premier vide artificiel et utilisa le concept pour créer 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 indique la pression atmosphérique.

Torricelli découvrit avec son invention que la pression de l'atmosphère varie dans le temps. En 1648, Blaise Pascal découvre que la pression diminue également avec l'altitude et en déduit qu'il y a un vide au-delà de l'atmosphère.

Du XVII au XIX^e siècle

En 1667, le scientifique britannique Robert Hooke construit l'anémomètre pour mesurer la vitesse du vent, un instrument essentiel à la navigation. En 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.

En 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.

Benjamin Franklin observe quotidiennement le temps qu'il fait de 1743 à 1784. Il 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.

En 1780, Horace-Bénédict de Saussure construit un hygromètre à cheveu pour mesurer l'humidité de l'air. Il s'agit d'un instrument complémentaire au thermomètre et à l'anémomètre pour quantifier les variables atmosphériques.

En 1802-1803, le britannique Luke Howard écrit On the Modification of Clouds dans lequel il donne les noms que nous connaissons maintenant aux nuages à partir du Latin. En 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.

C'est dans un article Sur les équations du mouvement relatif des systèmes de corps que Gaspard-Gustave Coriolis décrivit mathématiquement en 1835 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.

En 1838, William Reid publie sa controversée Law of Storms qui décrit le comportement des dépressions. Son ouvrage divise la communauté scientifique durant dix années. En 1841, l'américain 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.

En 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. Les observations seront disséminées rapidement grâce à l'invention en 1837 par Samuel Morse du télégraphe.

Le 14 novembre 1854, 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.

En 1860, le vice-amiral 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.

Tous les réseaux d'observations mentionnés jusqu'à présent étaient indépendants. Une information météorologique cruciale pouvait donc ne pas être transmise. Ceci était particulièrement important en mer. Le principal promoteur d'échanges internationaux sera l'américain Matthew Fontaine Maury. En 1853, une première conférence des représentants de dix pays se réunit à Bruxelles pour formaliser une entente et normaliser le codage des données météorologique. En 1873, l'Organisation météorologique internationale est fondée à Vienne par les pays ayant un service météorologique.

Ère contemporaine

En 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. 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. Richard Aßmann est considéré également comme co-découvreur de la stratosphère car il publia indépendamment la même année ses résultats sur le sujet.

En 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 simplifiées que l'on voit dans les médias utilisent le vocabulaire de l'école norvégienne.

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.

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.

En 1951, l'Organisation météorologique mondiale (OMM) est fondée par l'ONU en remplacement de l'Organisation météorologique internationale.

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.

En 1960, TIROS-1 est le premier satellite météorologique lancé avec succès. Celui-ci marque le début de la collecte de données météorologiques depuis l'espace à une résolution de beaucoup supérieure aux stations terrestres. De plus il permet de sonder des endroits peu ou pas couverts 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 modèles de prévision d'ensembles qui utilisent des variations des données initiales dans plusieurs passes pour voir la variabilité des résultats.

Ensuite

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 améliorent les connaissances des phénomènes météorologiques et il s'en suit une meilleure paramétrisation des équations.

Les instruments de collecte de données ont grandement évolués depuis 1960 : automatisation de cette collecte et amélioration des radars et des satellites météorologiques ainsi que de leur résolution amenant des sondages directs de l'atmosphère. Le développement des communications (veille météorologique mondiale) a permis de répandre mondialement les prévisions ainsi que les alertes météorologiques.

Plus récemment, l'étude des tendances de températures et de la concentration de CO₂ a pris de l'essor. À partir de la fin XX^e siècle, la majorité des scientifiques ont reconnu le signal d'un réchauffement climatique depuis le début de l'ère industrielle. Au début du XXI^e siècle, un rapport d'experts internationaux a reconnu l'action humaine comme étant le plus probable responsable et a prédit une poursuite de celui-ci.