PHYSIQUE ATMOSPHÉRIQUE

D’où nous viennent la pluie et le beau temps ?

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Circulation atmosphérique Stratosphère Troposphère (altitude ± 15 km) HP = Haute pression BP = Basse pression Circulation atmosphérique Stratosphère Troposphère (altitude ± 15 km) HP = Haute pression BP = Basse pression
Parc à  instruments de Météo-France. © Météo-France Parc à instruments de Météo-France. © Météo-France

Les bulletins météo diffusés aujourd’hui dans les médias abondent de pictogrammes évocateurs. En une fraction de seconde, le spectateur peut se faire une idée précise du temps qu’il fera demain ou après-demain. Mais a-t-il seulement compris pourquoi la météo évoluera de cette manière? Rien n’est moins sûr. Rapide coup d’œil sur le fonctionnement de notre atmosphère.

Selon un phénomène bien connu de tous, observable quand on ouvre une fenêtre sur l’extérieur en plein hiver, l’air froid s’engouffre dans les zones d’air chaud. Il s’agit d’un principe thermo - dynamique essentiel à partir duquel les météorologues sont en mesure de comprendre, d’expliquer et de prévoir le temps qu’il fait et qu’il fera. L’air chaud se soulève naturellement en raison de sa légèreté, laissant ainsi la place à l’air froid qui, plus dense, reste en surface et s’étale dans l’espace laissé vacant.

À l’échelle planétaire, toute la circulation atmosphérique est régie par ce principe de base. Les grandes masses d’air présentes autour du globe, chacune caractérisée par un niveau homogène de température et d’humidité, se déplacent et s’affrontent en raison de leur différence de densité (et donc de pression).

Les forces en jeu

Sur le continent européen, le climat est influencé par cinq grandes masses d’air: arctique, polaire maritime, polaire continentale, tropicale maritime et tropicale continentale.

Ces masses d’air sont en perpétuel mouvement, une dynamique commandée pour l’essentiel par deux forces: la force du gradient de pression et la force de Coriolis. La force du gradient de pression est celle dont nous avons déjà parlé: elle résulte des différences de pression entre deux points, et pousse les masses d’air à adopter un mouvement dirigé de la haute pression vers la basse pression. Cette force est le point de départ du mouvement des masses d’air. Sans elle, l’atmosphère serait probablement immobile, sans une once de vent. Quant à la force de Coriolis, engendrée par le mouvement de rotation de la Terre, elle pousse les fluides en mouvement vers la droite de leur mouvement initial dans l’hémisphère nord, et vers la gauche dans l’hémisphère sud. C’est cette force de Coriolis qui donne l’aspect tourbillonnaire aux dépressions que l’on repère très facilement sur les images satellites.

En combinant ces forces, on obtient une esquisse du mouvement des masses d’air dans l’hémisphère nord: elles tournent dans le sens des aiguilles d’une montre autour des zones de haute pression, et dans le sens inverse autour des zones de basse pression.

À une même altitude, deux masses d’air distinctes ont nécessairement des niveaux de pression distincts, et lorsqu’elles s’affrontent, d’inévitables mouvements dus aux forces en jeu se créent entre elles. On voit alors apparaître des fronts météorologiques. On parle de front «froid» quand une masse d’air froid vient à la rencontre d’une masse d’air chaud. Suivant les principes de thermodynamique, l’air froid se glisse alors sous l’air chaud, ce dernier se soulevant en altitude. À l’inverse, on parle de front «chaud», quand une masse d’air chaud se déplace vers une masse d’air froid et se superpose à cette dernière. Dans un cas comme dans l’autre, les fronts sont à l’origine des dépressions. Ces dépressions frontales sont souvent synonymes de perturbations de la météo dans la zone concernée.

Périple d’une particule d’air

En effet, dans une dépression, l’air chaud à la surface terrestre entame un mouvement d’ascendance et se refroidit du même coup, sous l’effet de la transformation adiabatique. Ce processus de variation thermique au nom peu engageant est dû aux seules variations de pression de l’air: à l’image du gaz comprimé que l’on laisse s’échapper d’une bonbonne, l’air en ascendance se détend et se refroidit. Inversement, lorsque l’air redescend, il se comprime sous l’effet de la pression atmosphérique et se réchauffe, de la même manière que l’air que l’on pousse dans un pneu en le gonflant. Ces changements adiabatiques, qui surviennent sans échange de chaleur avec l’environnement, induisent une variation de température de l’ordre de 1 °C par 100 mètres d’altitude.

Mais au fur et à mesure qu’il se refroidit en s’élevant en altitude, l’air perd peu à peu sa capacité à stocker de la vapeur d’eau. En effet, si toute particule d’air (1) contient de la vapeur d’eau, la masse maximale de vapeur admise varie selon sa température. Si cette masse est atteinte, la particule d’air est saturée, et la vapeur d’eau se condense alors en minuscules gouttelettes, autour de noyaux de condensation – des particules solides en suspension dans l’air –, formant les nuages. Ainsi, pour une particule d’air sec à 25 °C, la saturation est atteinte à 27,4 g de vapeur par kilo d’air. Mais à 15°C, la saturation est déjà atteinte avec 14,8 g. On comprend donc qu’en se refroidissant, au sein d’une dépression, dans sa phase d’ascendance, la capacité de l’air à stocker de la vapeur d’eau diminue, et le surplus de vapeur se condense en formant des nuages. Tôt ou tard, lorsque, suite à des processus microscopiques complexes, les gouttelettes contenues dans les nuages atteignent une certaine taille, des précipitations se forment.

Si l’on continue de suivre le parcours des particules d’air après leur ascension au cœur de la dépression, on constate qu’en altitude, elles prennent de l’expansion. Elles s’étendent alors horizontalement et rejoignent les sommets de zones de haute pression, dites aussi anticyclone. Là, ces particules d’air devenues froides et denses redescendent, et subissent l’effet de réchauffement de la compression adiabatique. Si bien que, près de la surface terrestre, les particules d’air sont réchauffées et légères. Sous la pression des masses d’air encore froides qui descendent, elles migrent alors horizontalement vers les zones de basse pression, et reprennent leur parcours ascendant au sein de la dépression.

Le temps lié aux situations anticycloniques est généralement sec et beau. En effet, l’air qui se réchauffe peut contenir de plus en plus de vapeur d’eau, si bien que, sauf conditions extrêmes, les nuages ne peuvent s’y créer.

L’incroyable fragilité des prévisions

Ayant acquis ces connaissances depuis près d’un siècle, les météorologues sont en mesure de donner des prévisions plus ou moins affinées du temps. En effet, si l’on prend connaissance des paramètres d’humidité, de température et de pression de nombreuses particules d’air contigües (2), on peut leur appliquer les lois de la thermodynamique et de la mécanique des fluides, et calculer le temps qu’il fera en un endroit déterminé lorsque les particules d’air analysées auront atteint cet endroit. C’est précisément ce que font quotidiennement les météorologues et leurs ordinateurs.

Mais les choses, bien entendu, ne sont pas aussi simples. Car au sein d’une particule d’air, quelle que soit l’échelle de découpage choisie, les paramètres ne sont jamais totalement uniformes. Il y a donc là une source d’erreur non négligeable, et toujours présente, étant donné qu’il est matériellement impossible d’analyser en chaque instant les paramètres de chaque molécule atmosphérique, et ce tout autour de la planète.

Cette difficulté prend une toute autre ampleur lorsque l’on sait que l’atmosphère terrestre est chaotique, au sens mathématique du terme. Cela signifie qu’une minuscule variation des conditions initiales de calcul peut produire, au final, des situations très variables. Si l’analyse d’une particule d’air est biaisée, cela peut donc fausser toute la prévision. C’est Edward Lorenz, un météorologue américain, qui mit en évidence, en 1963, le chaos atmosphérique, laissant entendre qu’un battement d’ailes de papillon au Brésil pouvait, par le déplacement d’air qu’il provoque, engendrer une tornade au Texas… En d’autres termes et pour simplifier à l’extrême, prévoir la tornade au Texas obligerait à observer ce battement d’ailes!

La récolte des données, pièce maîtresse de la prévision

C’est dire l’importance que prend l’étape d’observation des situations initiales aux yeux des prévisionnistes. Car à une information de base biaisée correspond une prévision qui peut s’écarter significativement de la réalité pour des échéances éloignées. À cet égard, la météorologie n’a cessé de progresser. À l’origine, les outils utilisés pour mesurer l’état de l’atmosphère étaient, dans des versions simplifiées, ceux que l’on utilise encore aujourd’hui dans les quelque 12 000 stations météo au sol: le thermomètre pour la température, le pluviomètre pour les précipitations, la girouette et l’anémomètre pour la direction et la vitesse du vent, le baromètre pour la pression, l’hygromètre pour l’humidité, le luxmètre pour l’intensité du rayonnement solaire.

À ces 12 000 stations terrestres, il faut encore ajouter environ 800 stations océaniques, intégrées sur des bouées fixes ou dérivantes. Mais ces stations ont l’inconvénient de ne prendre les mesures qu’à quelques mètres du sol tout au plus. Pour contourner ce problème, les météorologues ont inventé le ballon-sonde, sorte de station météo suspendue à un ballon s’élevant dans les airs et voltigeant au gré du vent. Munie d’un émetteur radio et d’un GPS, la station envoie, toutes les dix secondes, les informations en temps réel, tant sur l’état de son environnement que sur sa localisation. Quant au ballon, généralement gonflé à l’hydrogène, il s’élève à une vitesse proche de 5 mètres seconde et finit toujours par éclater, vers 30 000 mètres d’altitude, à cause de la différence de pression entre l’intérieur et l’extérieur. La sonde a alors fini son travail et retombe au sol, sa chute étant amortie par un petit parachute embarqué.

Gros point faible de la prévision météo: les précipitations. Même si ce n’est pas encore suffisant, les radars météorologiques ont permis de belles avancées. À intervalles réguliers, toutes les 5 à 10 minutes, ils envoient des ondes électromagnétiques qui, lorsqu’elles rencontrent des précipitations, sont réfléchies avec une intensité variable, proportionnelle à la taille et à l’intensité de ces précipitations. En fonction de l’onde de retour, le prévisionniste peut donc visualiser le type des précipitations, leur position géographique, et la direction dans laquelle elles se déplacent.

Un pas de géant pour la météo

L’avancée la plus importante pour la météorologie a sans nul doute été permise grâce à l’avènement des satellites, dans la seconde moitié du 20ème siècle. Géostationnaires – à 35 800 km d’altitude, ils survolent perpétuellement le même endroit – ou à défilement – à environ 1000 km d’altitude, ils défilent autour de la planète et filment des bandes de quelques milliers de kilomètres de large –, ces satellites permettent de percevoir le système atmosphérique dans son ensemble. À leur bord des radiomètres et des interféromètres sondent, à la manière des radars, les différentes couches de l’atmosphère jusqu’à la surface terrestre, et ce dans le spectre visible – pour observer la position des nuages –, le spectre infrarouge – pour observer les températures – et le spectre «vapeur d’eau» – pour observer le contenu en humidité de l’air.

L’Union européenne, via l’agence Eumetsat, se profile à la pointe de la veille météorologique satellitaire. En 1977, elle lançait son premier satellite, Meteosat1. Aujourd’hui, le programme en est à Meteosat9, dont la mission a débuté en 2005 et devrait s’achever en 2014. En 2006, le premier satellite européen à défilement, MetOp-A, fut lancé de la base de Baïkonour. Deux autres devraient suivre dans les huit années à venir. Ensemble, ces satellites météorologiques contribuent au système mondial d’observation de l’atmosphère mis en place par l’Organisation météorologique mondiale.

Dans la mesure où l’atmosphère ne connaît pas de frontières, cette coopération internationale à l’échelle planétaire s’avère plus que jamais nécessaire afin de comprendre les enjeux météorologiques et, plus largement, climatiques.

Matthieu Lethé

  1. Une particule d’air est une portion volumique plus ou moins restreinte de l’atmosphère au sein de laquelle les paramètres de température, de pression et d’humidité sont considérés comme homogènes.
  2. Les météorologues considèrent que l’atmosphère est parcellisée, dans ses trois dimensions, en une multitude de «boîtes». Selon l’affinage de la prévision que l’on veut obtenir, ces boîtes sont plus ou moins grandes, variant de quelques kilomètres à plusieurs centaines de kilomètres de côté, et de quelques mètres à plusieurs dizaines de mètres de hauteur



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