étude des phénomènes atmosphériques

 

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 lui1. 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 ».

 

Moyen-Âge 

L’arc-en-ciel qui est un photo-météore, fut correctement appréhendé en premier lieu, par le savant arabe Ibn Al Hayathem ou Alhazen dès le Xe siècle. Pionnier de l'optique moderne, il explique aussi les phénomènes de réfraction atmosphérique et comprend pourquoi la Lune et le Soleil apparaissent agrandis à l'horizon. Plus tard Theodoric de Freiberg (XIVe siècle), a approfondie l'explication de la formation des arcs-en-ciel.

 

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 XVIIIe 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 XIXe 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 2 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 Loomis3 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 4 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 XXe siècle, la majorité des scientifiques ont reconnu le signal d'un réchauffement climatique depuis le début de l'ère industrielle. Au début du XXIe 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.

 

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.

 

Comportement à grande échelle 

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.

 

Comportement à petite échelle 

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.

 

Couche limite

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 une 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.

 

Échelle planétaire 

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.

 

Spécialités

Instrumentation 

La météorologie dépend de la collecte de la valeur des variables de l'atmosphère mentionnées précédemment. Les instruments comme le thermomètre et l'anémomètre ont d'abord été utilisé individuellement, puis souvent regroupés dans des stations météorologiques terrestres et maritimes. Ces données ont été d'abord très éparses et prises par des amateurs. Le développement des communications et des transports a forcé les gouvernements de tous les pays à mettre sur pied au sein de leurs services météorologiques des réseaux d'observation et à développer de nouveaux instruments. Dans ces réseaux nationaux les instruments et leur implantation obéissent à des normes sévères, afin de biaiser le moins possible l'initialisation des modèles.

Le développement des ballons à la fin du XIXe siècle, puis des avions et des fusées aux XXe siècle a permis de collecter des données en altitude. Finalement, les radars et satellites ont permis depuis la seconde moitié de ce siècle de compléter la couverture à l'ensemble du globe. La recherche continue d'améliorer les instruments et d'en développer de nouveaux.

 

Prévision météorologique 

La prévision météorologique est une application des connaissances en météorologie et des techniques modernes de prises de données et d’informatique pour prédire l’état de l’atmosphère à un temps ultérieur. L’histoire de la prévision du temps remonte aux temps immémoriaux avec les oracles et devins mais la science moderne date vraiment de la fin du XIXe siècle et du début du XXe siècle. Elle s’est cependant affirmée depuis la Deuxième Guerre mondiale avec l'entrée en jeu des moyens techniques comme le radar, les communications modernes et le développement des ordinateurs. On retrouve plusieurs domaines d'application des prévisions dont :Hydrométéorologie Météorologie aéronautique Météorologie agricole ou (agrométéorologie) Météorologie côtière Météorologie et route
Météorologie forestière Météorologie maritime Météorologie militaire Météorologie des montagnes Météorologie tropicale
Météorologie et pollution Prévision des orages violents Prévision numérique du temps Prévision des cyclones tropicaux

Technologies de contrôle météorologique 

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 ;
Canon anti-grêle : pour tenter de perturber la formation de grêle au moyen d'ondes de choc (anecdotique) ;
Ensemencement des nuages : en lâchant une fumée d'iodure d'argent dans les nuages pour augmenter le nombre de noyaux de condensation disponibles et donc la pluie. Ceci aurait dans le cas des orages 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.

 

Recherche 

Beaucoup reste à faire pour comprendre et paramétriser les phénomènes météorologiques. Comme mentionné antérieurement, les équations qui régissent l'atmosphères sont complexes et les données in situ difficiles à obtenir dans certains cas. Les interactions à méso et micro échelles dans un orage ou un cyclone tropical sont difficilement reproduisibles en laboratoire. Les chercheurs sur des sujets comme la micrométéorologie, la micro-physique des nuages et l'interaction air-mer doivent effectuer un raisonnement de physique fondamentale, puis utiliser des simulations mathématiques qu'ils comparent aux observations par télédétection.

 

Phénomènes météorologiques

Données directes et calculées

Circulation atmosphérique

La circulation atmosphérique est le mouvement à l'échelle planétaire de la couche d'air entourant la Terre qui redistribue la chaleur provenant du Soleil en conjonction avec la circulation océanique. En effet, comme la Terre est un sphéroïde ayant un axe de rotation 23,5 degrés par rapport à son plan de translation autour de notre étoile, la radiation solaire incidente au sol varie entre un maximum aux régions faisant face directement au Soleil (équateur) et un minimum à celles très inclinés par rapport à ce dernier (Pôles). La radiation réémise par le sol est liée à la quantité d'énergie reçue. Il s'en suit un réchauffement différentiel entre les deux régions qui ne peut persister sous peine d'une augmentation sans fin de ce dernier et c'est ce qui crée la circulation atmosphérique.

La pression à la surface et en altitude se répartie donc en zones organisées où la pression est un maximum (Anticyclone), un minimum (dépression), un minimum local (creux barométrique), un maximum local (crête barométrique). Les zones où les basses températures provenant des Pôles rencontrent les chaudes températures venant de l'Équateur se nomment des fronts : Front froid, front chaud et front occlus. Certains systèmes métérologiques ont des noms particuliers : cyclones tropicaux, Mousson, Haboob, El Nino, Blocage d'air froid, etc.

 

Vent 

Le vent est un mouvement de l’atmosphère. Il peut apparaître sur n’importe quelle planète disposant d’une atmosphère. Ces mouvements de masses d’air sont provoqués par deux phénomènes se produisant simultanément : un réchauffement inégalement réparti de la surface de la planète par l’énergie solaire et la rotation de la planète.

Sur Terre, plusieurs régions ont des vents caractéristiques auxquels les populations locales ont données des noms particuliers. Les vents sont une source d’énergie renouvelable, et ont été utilisés à travers les siècles à divers usages, par les moulins à vent, la navigation à la voile ou plus simplement le séchage. En montagne, le vol à voile utilise pour partie le vent (vol de pente) et en général (montagnes et plaines) les courants ascendants générés par l'échaufement des particules d'air. La vitesse du vent est mesurée avec un anémomètre mais peut être estimée par une manche à air, un drapeau, etc.

Les vents peuvent être réguliers ou en rafales. On retrouve des corridors de vent très forts le long des zones de contraste de températures qu'on appelle courant-jets. Sous les orages, la transformation du cisaillement horizontal du vent en tourbillon vertical donne une tornade ou une trombe marine. Le même phénomène peut se produire sans nuage et donne un tourbillon de poussière. La descente de l'air vers le sol avec les précipitations dans un orage donne une rafale descendante.

En mer, les fronts de rafales sont appelées grains

 

Nuages et précipitations

L'atmosphère terrestre est constituée principalement d’azote (près de 80%), d'oxygène et de vapeur d'eau. Ses mouvements verticaux permettent la compression ou la dilatation de ce gaz selon la loi des gaz parfaits dans un processus habituellement adiabatique. La quantité maximale de vapeur d’eau que peut contenir l'air est fonction de la température de celui-ci. Lorsque l'air s'élève, il se dilate et sa température diminue, permettant la condensation de la vapeur d'eau, à saturation, en gouttelettes. Un nuage est alors formé.

Un nuage est donc un ensemble de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en suspension dans l’air. L’aspect du nuage dépend de la lumière qu’il reçoit, de la nature, de la dimension, du nombre et de la répartition des particules qui le constituent. Plus l’air est chaud, plus il peut contenir de la vapeur d’eau, et plus le nuage sera important. Plus les mouvements verticaux de l'air sont forts, plus le nuage aura une extension verticale importante.

On distingue deux types principaux de nuages : les nuages stratiformes, qui proviennent du mouvement à grande échelle de l'atmosphère, et les nuages convectifs qui eux se forment localement quand l'air est instable. Ces deux types de nuages peuvent se retrouver à tous les niveaux de la troposphère et sont subdivisés selon la hauteur où ils se trouvent (basse, moyenne, élevée).

Si le mouvement vertical est suffisant, les gouttelettes ou les cristaux de glace se fusionneront pour donner des précipitations liquides ou solides : pluie, bruine, neige, grêle, grésil, verglas et granule de glace. Elles seront sous forme continue avec les nuages stratiformes et sous formes d'averses ou d'orages dans ceux convectifs. D'autres hydrométéores se forment au sol comme la brume et le brouillard.

 

Phénomènes accessoires 

Les phénomènes météorologiques sont souvent accompagnés de ou produisent des phénomènes secondaires. Le vent soulève du sol des solides non aqueux, des lithométéores, qui restent en suspension dans l’atmosphère. La brume sèche est ainsi une suspension dans l’air de particules invisibles à l'œil nu et sèches, suffisamment nombreuses pour donner à l’air un aspect opalescent. Dans les régions sèches, la brume de sable est une suspension de poussières ou de petits grains de sable qui restent dans l’air après une tempête de vent. Le chasse-poussière ou chasse-sable est de la poussière ou du sable soulevés du sol à des hauteurs faibles ou modérées par un vent suffisamment fort et turbulent. Quand le vent augmente, on assiste à des tempêtes de sable ou de poussière qui atteignent de grandes hauteurs. Quand un vortex très local se forme dans les régions désertiques, il y a souvent des tourbillons de poussière, un genre de tornade sans nuages.

Certains phénomènes lumineux sont dus à la réflexion, la réfraction, la diffraction ou à l'interférence de la lumière sur les particules présentes dans l’atmosphère. Ce sont des photométéores. Ainsi, le halo et les parhélies, qui peuvent apparaître autour du Soleil ou de la Lune, sont dus à la réfraction ou la réflexion de la lumière sur des cristaux de glace dans l’atmosphère. Ces phénomènes ont la forme d’anneaux, d’arcs, de colonnes ou de foyers lumineux. Autour du Soleil, les halos peuvent avoir certaines couleurs alors qu’autour de la Lune, ils paraissent toujours blancs. De même, la couronne est constituée d'un ou de plusieurs anneaux colorés observables autour du Soleil ou de la Lune lorsqu'il (elle) se trouve derrière des nuages minces comme les altocumulus. Elle est due à la diffraction de la lumière sur les particules des nuages.

D'autres phénomènes sont dus à la diffraction de la lumière. L'irisation, généralement du bleu et/ou du vert pâle, est la présence de couleur sur les bords des nuages à cause de la diffraction de la lumière. Une gloire est formée d'anneaux colorés qui apparaissent autour de l’ombre de l’observateur sur un nuage ou le brouillard en contrebas. L'arc-en-ciel, dont les couleurs vont du violet au rouge, apparaît lorsque la lumière venant d'une éclaircie passe dans une atmosphère remplie de gouttes de pluie. Les anneaux de Bishop sont un phénomène lumineux qui apparaît sur des particules solides, après une éruption volcanique par exemple, formant des anneaux bleuâtres à l’intérieur et rouges à l’extérieur, causé par la diffraction des rayons lumineux sur ces particules.

Le mirage est dû aux densités différentes des couches d’air que traverse le rayon lumineux. Deux cas peuvent se produire : sur un sol surchauffé un objet éloigné devient visible, mais en image inversée, comme s’il se réfléchissait sur une étendue d’eau. C’est le mirage des déserts (le même phénomène se produit sur les routes goudronnées). Sur un sol plus froid que l’air, l’image de l’objet paraît au-dessus de l’objet vu directement. De tels mirages s’observent souvent en montagne ou au-dessus de la mer. C’est ainsi que l’on peut voir des objets situés en dessous de l’horizon. Les pied-de-vents sont des rayons solaires passant entre les nuages et vus à contre-jour, rayons qu'on perçoit alors comme un faisceau lumineux dans le ciel ou comme une « douche de lumière ».

Il y a également diverses manifestations de l’électricité atmosphérique sous forme de lumières ou de bruits, appelées électrométéores. La plupart sont associés aux orages où on observe des décharges brusques d’électricité. Il s'agit de la foudre, de l'éclair et du tonnerre. Le feu de Saint-Elme est un type particulier de foudre.

Finalement, bien que non associées à la météorologie, les aurores polaires, sont des phénomènes lumineux apparaissant dans les hautes couches de l’atmosphère en forme d’arcs, de bandes ou de rideaux. Les aurores sont fréquentes aux hautes latitudes où les particules ionisées du vent solaire sont déviées par les pôles magnétiques et viennent frapper l'atmosphère.

 

Environnement

Réchauffement climatique 

Le réchauffement climatique est un phénomène d'augmentation de la température moyenne des océans et de l'atmosphère, à l'échelle planétaire et sur plusieurs années. Dans son acception commune, ce terme est appliqué au changement climatique observé depuis environ 25 ans, c'est-à-dire depuis la fin du XXe siècle. La plupart des scientifiques attribuent la plus grande partie de ce réchauffement aux émissions de gaz à effet de serre (GES) d'origine humaine. La probabilité que le réchauffement climatique depuis 1950 soit d'origine humaine est de plus de 90 % selon le quatrième rapport du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC) chargé d'établir un consensus scientifique sur cette question. Cette thèse n'est contestée que par une minorité de personnalités.

 

Climatologie appliquée

En tant que discipline mesurant différentes sources d'énergies renouvelables (l’insolation, le vent, les précipitations, etc.), la météorologie permet de mesurer les quantités d’énergie renouvelable disponibles et de prévoir leur disponibilité. Ces données sont essentielles au repérage des endroits les plus propices pour des sources alternatives d'énergie qui pourraient inverser le réchauffement. Des formations spécialisées dans le domaine environnemental sont diffusées, entre autres par Météo-France qui propose des modules comme «Météorologie de l’environnement», «Météorologie pour le potentiel éolien» et «Environnement».

 

Phénomènes reliés aux conditions météorologiques

Anémomorphose : déformation de la forme des plantes et des paysages végétaux sous l'effet des vents dominants et des embruns.
Carambolages causés par de mauvaises conditions météorologiques
Accidents d'avion dus aux orages ou tempêtes
Désertification due aux changements climatiques
Feux de forêt dus à la foudre ou attisés par les vents
L'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.

 

Anecdote 

Une loi anglaise de 1677 condamnait au bûcher les météorologues, taxés de sorcellerie. La loi ne fut abrogée qu'en 1959. Heureusement, elle n'a pas toujours été appliquée à la lettre : le Group Captain James Stagg, météorologue en chef, et les membres de ses trois équipes de prévision, prédirent une accalmie pour le débarquement de Normandie le matin du 6 juin 1944, et n'eurent pas à subir ce sort.

 

Notes et références

↑ a et b (en)Nathan Sivin, Science in Ancient China, Ashgate Publishing, coll. « VARIORUM, », Brookfield, Vermont, 1995, Tome III, 24 p.
↑ (en)William Reid (1791-1858) [archive] site internet par John D. Reid (2006)
↑ (en) Elias Loomis (1811 - 1889) [archive] site internet par John D. Reid (2006)
↑ (en) Joseph Henry Father of Weather Service [archive] site internet officiel du Smithsonian Institution (2006)
↑ (en)Description du modèle Norvégien des dépressions de latitudes moyennes [archive] par le National Weather Service de NOAA (2006)
↑ Radar in Meteorology de David Atlas, publié par l'American Meteorological Society
↑ (en)L'histoire du «Stormy Weather Group» de l' [archive]université McGill, Montréal, Canada (1968)
↑ a et b Le rapport 2007 du GIEC [archive] utilise le terme « très probable ». cf p.49 : « L’essentiel de l’élévation de la température moyenne du globe observée depuis le milieu du XXe siècle est très probablement attribuable à la hausse des concentrations de GES anthropiques. Cette constatation marque une progression par rapport à la conclusion du troisième Rapport d’évaluation, selon laquelle l’essentiel du réchauffement observé au cours des 50 dernières années est probablement dû à l’accroissement de la concentration de GES ». Le même texte, p.37, précise les termes utilisés pour indiquer la probabilité estimée, selon les experts, d’une donnée ou d’un résultat : « pratiquement certain (probabilité supérieure à 99 %) ; extrêmement probable (probabilité supérieure à 95 %) ; très probable (probabilité supérieure à 90 %) ; probable (probabilité supérieure à 66 %) ; plus probable qu’improbable (probabilité supérieure à 50 %) ; à peu près aussi probable qu’improbable (probabilité de 33 % à 66 %) ; improbable (probabilité inférieure à 33 %) ; très improbable (probabilité inférieure à 10 %) ; extrêmement improbable (probabilité inférieure à 5 %) ; exceptionnellement improbable (probabilité inférieure à 1 %). ». Ainsi, l’estimation du rôle probable de l’homme dans le changement climatique a augmenté entre 2001 et 2007, puisque dans le rapport de 2001, ce rôle n’était qualifié que de probable (likely). cf [1] [archive]
↑ (en) The problem of Weather Prediction, as seen from the standpoints of Mechanics and Physics par Wilhelm Bjerknes dans le site de [archive] NOAA accédé le 2006-12-14
↑ (en)J. R. Garratt, J.R., The atmospheric boundary layer, Cambridge University Press (ISBN 0-521-38052-9)
↑ (en)GIEC (IPCC en anglais), « The IPCC 4th Assessment Report is coming out A picture of climate change the current state of understanding [archive] », ONU, 2007. Consulté le 2008-07-30[pdf]
↑ (en)GIEC (IPCC en anglais), « Climate Change 2001: Synthesis Report [archive] », 2001. Consulté le 2010-01-09
↑ (fr)École nationale de la météorologie, « Météo Stage Météorologie Modulaire [archive] », Météo-France, 2007. Consulté le 2009-10-12

 

Voir aussi 


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D’autres articles en synthèse vocale

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Bibliographie

Fierro, Alfred, Histoire de la météorologie, Éditions Denoël, 1991, 315 p.
Leduc, Richard et Gervais, Raymond, Connaître la météorologie, Presses de l'Université du Québec, 1985, 299 p. (ISBN 2760503658 et 9782760503656) [lire en ligne]
Locher, Fabien, Le Savant et la Tempête. Étudier l’atmosphère et prévoir le temps au XIXe siècle, Presses Universitaires de Rennes, coll. « Carnot », Rennes, 2008
(avec notamment une analyse complète sur Le Verrier et les débuts de la prévision météorologique savante, et un chapitre sur l'histoire des météorologistes « amateurs »)

 

Articles connexes

Glossaire de la météorologie
Circulation atmosphérique
Géopotentiel
Cyclogénèse et Cyclogénèse tropicale
Météorologie de l'Europe
Risque naturel
Organisation météorologique mondiale
Institutions météorologiques
Météorologues célèbres

 

Liens externes

Sites gouvernementaux et institutionnels explicatifs
(fr) Cours météo général et pour pilote d'avion par le Service météorologique du Canada
(fr) Prévision numérique du temps par Euromet
(fr) Comprendre la météorologie par Météo-France
(fr) Foire aux questions par le Laboratoire de météorologie dynamique du CNRS
Autres liens
(fr) Lien entre la météo et la production d'énergie solaire et éolienne par APERe.org

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