LA MÉTÉOROLOGIE

LA CIRCULATION GÉNÉRALE

Le développement des grandes marines commerciales et militaires des nations d'Europe du Nord aux XVII^e et XVIII^e siècles, par suite d'une expansion économique qui couvrait désormais le globe tout entier, donna un grand élan à la météorologie. Les grands voyages d'exploration dans les mers du Sud permirent de recueillir des observations météorologiques dans des régions du monde très éloignées les unes des autres et à des latitudes très différentes. Les capitaines des navires avaient désespérément besoin d'informations sur les vents et sur les courants marins qu'ils rencontreraient dans ces mers inconnues et souvent hostiles, si bien que les observations météorologiques étaient régulièrement consignées dans les livres de bord des navires. Si approximatives qu'elles fussent, ces informations suffirent toutefois à George Hadley (1685-1768) pour créer en 1735 la première carte de la circulation générale de l'atmosphère. Selon Hadley, à l'équateur, l'air s'élève rapidement, réchauffé par le fort rayonnement solaire local et se dirige en altitude vers les pôles, où il redescend à la surface pour revenir vers l'équateur, fermant ainsi le cercle. Dans l'ensemble, il s'agit d'une circulation directe, semblable à celle qui se développe dans une casserole réchauffée. Dans le cas de la Terre, le « feu » se trouve à la hauteur de l'équateur. L'ingénuité scientifique d'Hadley peut être appréciée plus encore si l'on pense que les seules observations disponibles à l'époque étaient les observations concernant le mouvement du vent à la surface. Les trois quarts du schéma d'Hadley - la partie ascendante équatoriale et le mouvement à la hauteur des pôles - étaient de pures spéculations fondées sur des principes physiques généraux, sans la moindre observation. Jusqu'à ce point le schéma d'Hadley était assez bien construit, mais il était contredit par l'observation des vents superficiels. Les capitaines des navires marchands transocéaniques savaient bien que les vents équatoriaux presque constants, les alizés, soufflent du nord-est ou du sud-est et certainement pas directement du nord ou du sud comme l'indiquait la circulation d'Hadley. Mais Hadley était bien conscient des effets de la rotation terrestre, et il conclut par conséquent sa théorie en invoquant la rotation, responsable selon lui de la déviation de la circulation de la ligne directe nord-sud. Ce modèle demeura le modéle principal de description de la circulation jusqu'au XIX^e siècle, où il fut mis en cause par de nouvelles données météorologiques. Le point critique concernait les moyennes latitudes de l'hémisphère Nord, où Hadley prévoyait des vents de nord-ouest et où les données indiquaient clairement en revanche la prédominance de vents de sud-ouest. Comme cela devait arriver de nombreuses autres fois en météorologie, une petite différence devait être à l'origine d'une révision complète des théories couramment admises. Dans ce cas, on parvint à une modification de la circulation d'Hadley par Thomson (1857) et William Ferrel (1856). La circulation de Ferrel-Thomson est semblable à celle d'Hadley dans les zones équatoriales, mais pour expliquer les circulations de sud-ouest nécessaires pour expliquer les nouvelles données, il faut introduire une nouvelle cellule, qui par la suite fut dénommée cellule de Ferrel. Dans l'ensemble, la circulation de Ferrel-Thomson est beaucoup plus réaliste que les précédentes, et elle s'affirma rapidement comme modèle standard. Il restait toutefois un souçi, du au fait que la véritable circulation générale était loin de présenter les caractéristiques d'uniformité et de symétrie prévues par ces théories.

LE GRAND MYSTÉRE DES TEMPÊTES

Pendant tout le XIX^e siècle, les discussions sur l'origine et la structure des tempêtes divisèrent les météorologues et les marins. Comme il arrive souvent encore aujourd'hui, ne s’opposaient pas seulement deux théories, mais surtout deux écoles de pensée. D'un côté, les chercheurs américains soutenaient que les tempêtes, comme cela apparaissait sur la base des observations, étaient des phénomènes de nature rotatoire, c'est-à-dire des tourbillons mouvants, d'un diamètre de plusieurs centaines de kilomètres, caractérisés par des vents à forte courbure et par une basse pression centrale. L'école européenne était représentée par le grand météorologue allemand Heinrich W. Dove (1803-1879), une personnalité marquante qui conditionna, pas toujours de façon heureuse, une grande partie de la recherche météorologique européenne du siècle dernier. Il soutenait que les tempêtes n'étaient pas rotatoires, mais qu'elles étaient le résultat des fluctuations des courants généraux. En effet, il considérait que, dans le cadre du modèle de la circulation générale de Thomson-Ferrel, il existait sur la Terre deux courants atmosphériques principaux, pratiquement deux fleuves d'air : l'un d'air chaud et humide, situé aux latitudes tropicales, et l'autre d'air froid et sec, vers les Pôles. Les tempêtes étaient simplement la transition d'un fleuve à l'autre, le résultat du passage rapide des fleuves d'air au-dessus d'une certaine zone. Pour appuyer ses dires, Dove présentait de nombreuses observations effectuées en Europe. Les rares données disponibles ne permettaient pas de choisir entre l'une et l'autre de ces deux théories, si bien que, comme il arrive toujours quand les observations ne sont pas suffisantes et que la force des arguments scientifiques dépend entièrement de la violence des arguments verbaux, il s'ensuivit une série de disputes interminables.

LE FRONT POLAIRE

L'énigme nécessitait une explication en deux temps. Le premier pas consista à reconnaître que la circulation est dans un état turbulent. Cette théorie fut formulée par un groupe de chercheurs norvégiens, qui sont passées à la postérité sous le nom d’« École de Bergen » et dirigés par Vilhelm Bjerknes (1862-1951) et par son fils Jakob (1897-1975). L'École de Bergen formula l'hypothèse que les perturbations mouvantes typiques des moyennes latitudes étaient causées par la lutte incessante entre l'air d'origine équatoriale et l'air d'origine polaire. La zone de contact, le front polaire, était une zone hautement turbulente, dans laquelle les masses d'air étaient continuellement brassées, mais où l'on pouvait reconnaître parfois des contours nets, les fronts. Le mouvement de ces fronts déterminerait le temps atmosphérique que nous observons jour après jour. Les tourbillons qui mélangent les masses d'air sur le bord auraient un cycle bien précis, avec des phases très nettes de croissance rapide, de stabilisation et d'affaiblissement. En d'autres termes, les tourbillons naissent, croissent et meurent. En termes plus précis, Vilhelm Bjerknes (1937) suggéra que la circulation que l'on observe jour après jour dans l'atmosphère est le résultat de la croissance d'instabilités de toute nature. En particulier, Bjerknes émit l'hypothèse selon laquelle la circulation de Ferrel-Thomson représente l'état de base, mais spontanément instable, de la circulation. Les instabilités de l'état de base, après une période initiale de croissance linéaire, se stabiliseraient de façon non linéaire, mais après avoir déformé et tordu la circulation de Ferrel-Thomson au-delà de toute espérance. Aux instabilités initiales s'en ajouteraient d'autres, qui déformeraient à leur tour plus encore l'état de base. Le fluide prendrait ainsi rapidement l'aspect d'un fluide complètement turbulent. À la fin des années 40, les efforts conjoints de Jules Charney (1917-1981) et de J. Eady menèrent à la formalisation de la théorie de l'instabilité, à travers une théorie mathématique connue sous le nom de théorie de l'« instabilité barocline ». Les tourbillons tendent à se créer le long de la côte est des États-Unis, pour traverser l'Atlantique dans une phase de croissance rapide et arriver ensuite en Europe. Toutes les perturbations ne suivent pas ce schéma idéal. Certaines naissent avant ou après, certaines n'arrivent pas en Europe, d'autres y parviennent sous une forme très violente. Cette grande variabilité de comportements explique le dilemme du XIX^e siècle. Les chercheurs américains et européens observaient le même phénomène dans des phases différentes de sa croissance. Lorsqu'il vient de naître, en Amérique, il est beaucoup plus tourbillonnant et son aspect rotatoire est beaucoup plus évident. À l'arrivée, en Europe, il est en phase d'affaiblissement et par conséquent beaucoup plus diffus et linéaire.

L'ÈRE DES ORDINATEURS

On dut attendre les années 50 pour résoudre la deuxième partie de l'énigme et attendre qu’il fut clair que l'atmosphère subissait un changement substantiel associé à l’action des énergies thermique et mécanique localisées dans sa partie inférieure. La force mécanique principale est représentée par l’influence des montagnes terrestres qui, déforment la circulation de façon stationnaire, c'est-à-dire constante dans le temps. Le résultat est que la circulation générale présente deux grands arcs, respectivement en aval de la chaîne des montagnes Rocheuses et du plateau himalayen. La force thermique est due au contraste thermique entre les continents et les océans. Les continents tendent à réagir très rapidement aux changements de saison, si bien qu'en hiver ils deviennent rapidement très froids, tandis qu'en été ils sont très chauds. L'océan réagit plus lentement, si bien qu'il se crée une situation très particulière. En hiver, un continent très froid s'oppose à un océan encore relativement chaud, tandis qu'en été prédomine la situation opposée. Dans un travail célèbre des années 50, Joe Smagorinsky analysa ces deux facteurs, concluant qu'ils ont une importance égale, c'est-à-dire qu'ils ne sont pas négligeables pour le maintien de la circulation atmosphérique. Les résultats que nous venons de décrire, c'est-à-dire l'importance de l'instabilité et des forces au bord de cette dernière, amenèrent à la constatation qu'une description de la circulation atmosphérique n'était pas possible à travers une méthode purement théorique. En d'autres termes, la circulation atmosphérique est un problème si complexe qu'elle ne peut être décrite qu'au moyen d'équations mathématiques qui ne peuvent être résolues seulement avec un papier et un crayon.

L'arrivée des ordinateurs, à l’époque où ces résultats étaient acquis, changea radicalement la situation. Les ordinateurs permirent de résoudre les équations par une approche directe, brutalement simple, qui consiste à remplacer les opérations mathématiques complexes indiquées dans les équations par des milliers d'opérations élémentaires. Une racine carrée, par exemple, peut être remplacée par une série très longue de multiplications et de divisions, et ainsi de suite. La première simulation numérique d'un modèle atmosphérique fut effectuée à Princeton, au début des années 50, par un groupe qui comprenait Jules Charney, John von Neumann et Joe Smagorinsky, sur l'un des premiers ordinateurs. L'expérience fut un succès complet, bien que pour s'adapter aux limites de la machine on eût adopté une simplification particulière des équations, qui consiste à considérer l'atmosphère sans épaisseur, comme s'il s'agissait d'un mouchoir. En l'espace de quelques années, les modèles numériques furent utilisés quotidiennement pour effectuer les prévisions du temps au Service météorologique américain.

LES ANNÉES 1970-1980

Les potentialités des modèles numériques comme instrument d’étude et de recherche furent si évidentes qu'aux États-Unis fut créé un laboratoire entièrement consacré à l'étude de l'atmosphère par simulations numériques. Le laboratoire fut appelé GFDL, Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (Laboratoire de Dynamique Fluide Géophysique). Situé d'abord à Washington, il intégra, à partir de la fin des années 60, le campus de l'université de Princeton, au New Jersey. Sous la direction de Joe Smagorinsky, le laboratoire devint tout de suite le protagoniste du développement de la météorologie mondiale, obtenant une série de succès très importants qui ont contribué à l'affirmation des techniques numériques comme les principales techniques d’étude dans ce domaine. Au GFDL fut réalisé le premier modèle de circulation générale, le premier ensemble d'équations mathématiques permettant de décrire la circulation générale. On démontra l'origine de la stratification thermique de l'atmosphère et l'importance de l'équilibre radio-convectif (voir atmosphère). On réalisa également les premiers modèles couplés, des modèles qui simulent à la fois le comportement de l'atmosphère et de l'océan. Vers le début des années 70, les études pionnières de Kiku Miyakoda, un savant du GFDL, montrèrent la possibilité d'étendre les prévisions numériques jusqu'à dix jours et plus. Et nous en arrivons ainsi aux succès des années 80, quand, au GFDL, on démontra que les événements de El Niño pouvaient être simulés et analysés par des modèles numériques. À partir de cette découverte, des études débutèrent dans le monde entier pour démontrer la possibilité d'effectuer des prévisions saisonnières, c'est-à-dire avec six ou neuf mois d'avance. Les découvertes de Miyakoda eurent un grand effet en Europe, et en 1976 elles se concrétisèrent par la création du Centre européen de prévisions météorologiques à moyen terme, installé à Reading, en Angleterre, qui élabore des prévisions météorologiques valables dix jours. Le GFDL a été également le siège des premières études concernant la compréhension et la simulation du climat, c'est-à-dire la circulation générale. Dans les années 70, les études de Suki Manabe ont mis en évidence le rôle des montagnes dans la détermination de la circulation terrestre et ont définitivement éclairci le grand problème des années 50 concernant la cause et les mécanismes de la circulation atmosphérique. Manabe a été également parmi les premiers à comprendre l'importance des modèles numériques dans l'évaluation de l'impact des activités humaines sur le climat de la Terre. Ses études sur l'effet de l'augmentation du gaz carbonique ont soulevé le problème de l'effet de serre et ont énormément stimulé le développement de la météorologie et des sciences voisines, telles que la chimie atmosphérique, l'océanographie et l'écologie numérique.