Météorologie

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Mur de nuage à la base d'un cumulonimbus

La météorologie est l'étude des phénomènes atmosphériques tels les nuages, les dépressions et les précipitations pour comprendre comment ils se forment et évoluent. 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 et de la chimie.

Elle permet donc d'établir des prévisions météorologiques 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 (construction, trafic aérien, etc.)

[modifier] Histoire de la météorologie

[modifier] Antiquité

Aristote

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.

[modifier] Renaissance

Galileo Galilei

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 également 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.

Benjamin Franklin

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.

[modifier] Début des temps modernes

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 étalée 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 devait porter 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 ^[1] publie sa controversée Law of Storms qui décrit le comportement des dépressions. Son ouvrage divise la communauté scientifique durant dix années.

1841

Elias Loomis^[2] 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 ^[3] commence à mettre sur pied un réseau de stations météorologiques d'observation aux États-Unis d'Amérique.

Urbain Le Verrier

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.

[modifier] Ère contemporaine

Après la Première Guerre mondiale

1919

Les météorologistes norvégiens ^[4], sous la direction de Vilhelm Bjerknes, développent l'idée des masses d'air se rencontrant le long de zones de discontinuïté 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:

Les symboles des fronts météorologiques: 1) Front froid 2) Front chaud 3) Occlusion 4) Stationnaire

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 ciculation atmosphérique à grande échelle en terme 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^[5].
Au Canada : J.S. Marshall et R.H. Douglas forment le « Stormy Weather Group »^[6] 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.

Première image de TIROS-1 de la Terre depuis l'espace

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 appliqué 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.

[modifier] 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 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 métérologiques ainsi que de leur résolution. Ceci amenant des sondages directs de l'atmosphère.
Développement des communications pour répandre plus mondialement les prévisions ainsi que les alertes météorologiques.

[modifier] 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.

[modifier] Comportement à grande échelle

Voir l’article Équations primitives atmosphériques.

En premier lieu, pour expliquer le mouvement de l'air à l'échelle planétaire, dite synoptique, on se butte à sept inconnues^[7]:

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

Il nous faut donc 7 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:

$\, \delta P = -\rho g \delta z$ 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.

Secondo, 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 un 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 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 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.

[modifier] Comportement à petite échelle

Voir les articles Orage, tornade, tourbillon de poussière et cyclone.

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.

[modifier] Spécialités

Aérologie

Télédétection par radars et satellites météorologiques

Hydrométéorologie
Prévision météorologique
- Météorologie aéronautique
- Météorologie agricole ou (agrométéorologie)
- Météorologie côtière
- Météorologie des montagnes
- Météorologie forestière
- Météorologie maritime
- Météorologie tropicale
- Prévision des orages violents
- Prévision numérique du temps

[modifier] Phénomènes météorologiques

Anticyclone, dépression, thalweg, dorsale
Front froid, front chaud, front occlus
Foudre, éclair, tonnerre
Orage, tornade, trombe, rafale descendante, tourbillon de poussière
typhons, cyclones, ouragans, tempêtes,hurricanes
Précipitation, pluie, bruine, averses, Mousson
Neige, verglas, gel, surfusion
Rafales de vent, courant jet
Grêle, grésil, granule de glace

[modifier] Types de nuages

\| Types de nuages
Altocumulus \| Altostratus \| Cirrus \| Cirrostratus \| Cirrocumulus \| Cumulus \| Cumulus bourgeonnant \| Cumulo-nimbus \| Nimbostratus \| Stratus \| Stratocumulus \| Mammatus (caractéristique de différents nuages)

[modifier] Données directes et calculées

Données et variables météorologiques

[modifier] Appareils de mesure et d'observation

Instruments météorologiques de mesure

[modifier] Indices

[modifier] Technologies de contrôle météorologiques

Il n'existe dans la littérature scientifique aucun mécanisme de modification délibérée du temps ou du climat qui démontre, théoriquement ou en pratique, une capacité pour affecter le temps à grande échelle de manière contrôlée. Seules quelques méthodes ont pu, jusqu'ici, donner des résultats localisés, dans des circonstances favorables.

Voici quelques exemples de technologies visant à obtenir un certain contrôle sur certaines conditions atmosphériques :

HAARP, technologie d'étude et de modification localisée des propriétés radio-électriques de l'ionosphère ;
ensemencement des nuages par l'ajout de noyaux de condensation pour provoquer la précipitation ;
canons anti-grêle
- pour tenter de perturber la formation de grêle au moyen d'ondes sonores (ce qui ressort du folklore météorologique),
- ou encore, en générant une fumée d'iodure d'argent pour augmenter le nombre de noyaux de condensation disponibles. Ceci aurait pour effet d'augmenter le nombre de grêlons aux dépens de leur taille individuelle ;
feux anti-brouillard pour dissiper le brouillard par un réchauffement localisé.

[modifier] Phénomènes reliés aux conditions météorologiques

Carambolages causés par de mauvaises conditions météorologiques
Désertification dûs aux changements climatiques
Feu de forêt dûs à la foudre ou attisés par les vents
Exposition à des conditions de froid ou de chaleur extrêmes donne:
- Hypothermie
- Hyperthermie
Inondations par des précipitations abondantes
Les variations de pressions atmosphériques sont soupçonnés de déclencher les migraines
Les conditions d'ensoleillement et de chaleur sont des facteurs dans la formation de l'ozone au niveau du sol et du smog
Pluie d'animaux dont la cause probable est le transport d'animaux par des trombes marines
Réchauffement global qui change le climat.

[modifier] Anecdote

Une loi anglaise de 1677 condamnait au bûcher les météorologues, taxés de sorcellerie. Mais la loi n'a pas toujours été appliquée à la lettre : le capitaine Stagg était le météorologue qui prévit une accalmie pour le débarquement de Normandie, le matin du 6 juin 1944. La loi ne fut abrogée qu'en 1959.