Comprendre les mécanismes de la météorologie: Essai scientifique

Par David Del Regno

Découvrez toutes les réponses à vos questions sur la météorologie, cette science en constante évolution, utile dans le quotidien de tout un chacun.

Peut-on toucher un arc-en-ciel ? Pourquoi le cyclone a-t-il un œil et porte-t-il un nom ? Que signifie un ciel rouge à l'aube ou au crépuscule ? Qu'est-ce qu'une aurore boréale ? Qui a inventé la rose des vents ? À quoi servent les girouettes ? Qu'est-ce que le Gulf Stream ? Comment se forment les orages ? Est-il vrai que le vent d'autan rend fou ?
Depuis toujours, l'être humain est fasciné par ce ciel qui le domine. Les Gaulois le craignaient, pensant qu'il leur tomberait sur la tête ; les Égyptiens vénéraient le soleil ; les anciens religieux invoquaient la colère de Dieu lors de manifestations orageuses.
Au fil de son histoire, l'homme considéra peu à peu le ciel non plus d'un point de vue mystique, mais plutôt de manière rationnelle, en essayant de comprendre quelle réalité il représentait. Des simples signes aux techniques modernes, nous avons ainsi appris à déceler les mécanismes qui régissent l'ensemble de l'atmosphère.
Aujourd'hui, notre intérêt pour la météo n'a pas changé. Nous en sommes autant dépendants que nos ancêtres. Nous avons hérité des connaissances des premiers météorologues du XIXe siècle, et les moyens technologiques devenant plus performants, il nous est possible à présent de mieux comprendre comment fonctionne la météorologie et d'en appréhender les manifestations, même s'il nous reste encore beaucoup encore à découvrir.

À la fois historique, informatif, pédagogique, technique et enrichi d'anecdotes, cet ouvrage vous révèle tout ce que vous voulez savoir sur la météorologie en vous ouvrant les portes du ciel.

EXTRAIT

Placée sur une carte, la rose des vents permet de naviguer : en identifiant le vent par ses caractéristiques, on retrouve les points cardinaux, et donc la direction à prendre. Les Grecs anciens utilisent des cartes très simples. La Grèce est placée au centre, les limites terrestres sont le monde des Éthiopiens au sud, le royaume des morts à l’ouest, le pays des terribles géants au nord et l’Asie mineure à l’est (où se situe Troie). Ils placent la Grande Mer (aujourd’hui la Méditerranée) au milieu des terres, et le Fleuve océan tout autour des terres dont les limites ne sont pas déterminées.
Aristote, dans sa théorie des vents, ajoute quatre directions complémentaires : le Mèse (entre le nord et le nord-est), le Phénicias (entre le sud-est et le sud), le Libonotos (entre le sud et le sud-ouest) et le Trascias (entre le nord-ouest et le nord). On dispose alors de roses des vents plus précises dotées de douze branches.


À PROPOS DE L'AUTEUR

David Del Regno est né à Bordeaux en 1975 et a grandi à Pau. Après une carrière en tant que météorologue au service de l'armée de l'air, il est aujourd'hui tourné vers l'astrophysique, discipline dont il est diplômé.

• Langue: Français
• Éditeur: La Vallée Heureuse
• Date de sortie: 14 oct. 2019
• ISBN: 9782366960563

Aperçu du livre

Sacha.

Introduction

ui n’a jamais tenté de toucher un arc-en-ciel ? Qui n’a jamais rêvé de voir une aurore boréale ? Qui ne s’est jamais posé la question de savoir pourquoi on parle de l’œil d’un cyclone ?

Depuis toujours, l’être humain est fasciné par ce ciel qui le domine. Les Gaulois le craignaient, en pensant qu’il leur tomberait sur la tête ; les Égyptiens vénéraient le soleil ; les anciens religieux invoquaient la colère de Dieu lors de manifestations orageuses.

Au fil de son histoire, l’homme considéra peu à peu le ciel non plus d’un point de vue mystique, mais plutôt de manière rationnelle, en essayant de comprendre quelle réalité il représentait. Des simples signes aux techniques modernes, nous avons ainsi appris à déceler les mécanismes qui régissent l’ensemble de l’atmosphère.

Aristote, philosophe de la Grèce antique, fut le premier à parler de météorologie pour décrire les phénomènes liés à la terre, en 350 ans avant Jésus-Christ. Longtemps après, des précurseurs scientifiques de la Renaissance, comme Galilée ou Celsius, quantifièrent de manière rigoureuse un paramètre météorologique modifiant ainsi la manière d’appréhender le temps.

Il faudra attendre la fin du xixe siècle, et plus précisément l’année 1951, pour que la météorologie devienne une science à part entière, créditée par un système de réseaux baptisé l’Organisation mondiale de la météorologie (OMM) ayant pour but de rassembler et de rediffuser des données météorologiques en fonction des besoins et des moyens.

Puis, grâce à l’informatique et ses puissants logiciels de calculs, la prévision météorologique put enfin commencer à s’envisager à un niveau scientifique et ainsi se développer. Car prévoir le temps c’est observer, rassembler, quantifier, numériser et enfin extrapoler. Et les modèles numériques dits « de prévision » sont constamment améliorés par l’ajout de nouvelles observations et par le traitement statistique du taux de réussite.

Ainsi, la météorologie est une science récente qui ne cesse de progresser. Si nous avons tous entendu nos anciens prédire le temps qu’il fera le lendemain en observant le soleil se coucher ou bien les étoiles, désormais, ces prédictions sont basées sur de solides connaissances en mécanique de fluides, en thermodynamique et en informatique.

L’homme a besoin de savoir le temps qu’il fera. Il en va de son propre intérêt : que ce soit pour s’alimenter (agriculture), pour travailler (métiers en extérieur), pour manœuvrer (missions militaires), ou bien tout simplement pour aller prendre « l’air » (congés), la météorologie est omniprésente dans la vie.

Que ce soit de l’exploitation agricole, comme nous l’avons évoquée, au décryptage des aurores boréales, en passant par la climatologie, la météorologie couvre un vaste éventail de domaines d’utilisation.

À travers cet ouvrage, nous vous raconterons, dans un premier temps, l’histoire de la météorologie. Puis nous présenterons les phénomènes atmosphériques, climatiques et spectaculaires. Enfin, nous développerons les bases de la science météorologique.

Première partie

Petite histoire

de la météorologie

Le vocable « météorologie » est issu des termes grecs meteôra « élevé dans les airs » et logos « science ». La météorologie signifie la connaissance des météores, c’est-à-dire des particules atmosphériques.

La discipline, comme nous allons le voir, ne date pas d’hier. En effet, déjà dans l’Antiquité, les civilisations accordaient une très grande importance au temps et aux saisons. Que ce soit à un niveau strictement vital, pour les récoltes par exemple, ou bien à un niveau plus érudit, pour essayer de comprendre comment les éléments du ciel fonctionnent, la météorologie fait partie du quotidien et des questionnements de l’être humain.

Alors, depuis plus de cinq mille ans, hommes de sciences, de pouvoir et même d’Église, s’évertuent à percer les mystères du ciel.

I. La météorologie dans l’Antiquité

Nous savons aujourd’hui que la météorologie faisait l’objet d’études particulières durant l’Antiquité. Des textes antiques ont été retrouvés chez certaines civilisations. Chinois, Mayas, Indiens, Égyptiens, Grecs et Romains sont, à ce que nous savons, les premiers à avoir laissé des traces écrites de leurs observations.

1. Les Chinois

Les Chinois sont les premiers connus à écrire sur le temps qu’il fait. Presque trois mille ans avant Jésus-Christ, le plus ancien ouvrage de médecine traditionnelle chinoise, le Nei Jing Su Wen, attribué au mythique empereur Huangdi (xxviiie siècle avant Jésus-

Christ), traite des dérèglements selon les saisons. Rédigé sous forme de dialogue avec son médecin Qi Bo, il évoque les liens entre les organes vitaux, les agents naturels, les influx et les saisons. Tous deux tentent de prévoir les maladies en fonction des saisons. Ainsi, le cœur est associé au feu, à la chaleur et à l’été ; le foie au bois, au vent et au printemps ; les poumons au métal, à la sécheresse et à l’automne ; le rein à l’eau, à la froidure et à l’hiver ; la rate à la terre, à l’humidité et au sixième mois de l’année. Par exemple, pour Huangdi, un froid intense à l’automne provoquera des troubles pulmonaires graves. Dans un autre cas, une vague de chaleur à cette même saison n’atteindra pas les poumons. Toutefois, le rein sera touché par transmission du « mal » via les poumons, alors qu’ils n’y auront pas été sensibles. Cet ouvrage constitue les fondements d’une médecine toujours exercée aujourd’hui. La médecine traditionnelle chinoise contemporaine est donc une science millénaire adoptée par les Chinois dès les premières bases posées. Elle repose sur l’équilibre des énergies du corps en relation avec l’environnement et donc le climat.

2. Les Mayas

Les Mayas, peuple précolombien aujourd’hui disparu, dont les origines remontent environ au troisième millénaire avant J.-C., sont probablement parmi les pionniers dans le domaine astronomique. Ce n’est qu’à la fin du Moyen Âge que leur savoir parviendra en Europe, suite aux colonisations. La quasi-totalité de leurs livres, en écorce de figuier, est brûlée par les prêtres européens et très peu d’ouvrages sont encore aujourd’hui disponibles. On retrouve dans leurs écrits de nombreux passages sur les mouvements du soleil et de la lune. Malgré leur étude précise sur les éclipses et les conjonctions planétaires¹, ils adoraient le soleil comme une divinité.

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1 Rapprochement angulaire de deux ou plusieurs planètes dans le ciel. Ainsi, l’observateur au sol les voit proches même si, physiquement, elles restent éloignées sur leurs orbites respectives.

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Les Mayas ne faisaient pas de la météorologie au sens proprement dit, mais ils étudiaient les cycles planétaires (et lunaires) et observaient les phénomènes naturels, les déplacements des nuages. Ils associaient tous ces événements à des manifestations divines sans réellement tenter d’en comprendre le fonctionnement.

3. Les Indiens

Il faudra attendre le ive siècle avant Jésus-Christ, en Inde, pour observer les premiers relevés de précipitations lors des épisodes de mousson. Les cultivateurs utilisaient alors des réceptacles en bois pour recueillir la pluie et en faire des mesures.

Kautylia (350-283 av. J.-C.), ministre et conseiller du roi Chandragupta fondateur de la dynastie des Maurya (321-185 av. J.-C.), est l’auteur de l’Arthasastra, le principal traité de l’art politique de l’Inde ancienne. Cet ouvrage comporte les premiers relevés de pluies effectués toute l’année par les agriculteurs avec des récipients de 46 centimètres de diamètre. Kautylia, l’instigateur de ces relevés, donne alors les valeurs de la pluviosité de différentes régions d’Inde ainsi que les périodes de fortes précipitations. Les quantités relevées dans la région du Jangala sont de l’ordre de 1 600 millimètres, dans celle de l’Avanti de l’ordre de 2 300 mm et dans les régions de l’ouest près de l’Himalaya, de l’ordre de 10 000 millimètres ! Il consigne que lorsque deux tiers des précipitations nécessaires pour les cultures tombent au milieu de la saison des pluies (la mousson d’été), la pluviosité est considérée comme bien répartie. Il se sert alors de ces données pour réguler la taxation des rendements agricoles.

Les Indiens s’essayent également à la prévision. Le suivi des quantités tombées ayant pour but de prévoir l’intensité des moussons et ainsi de planifier les cultures. Aucun résultat satisfaisant ne ressort de ces prévisions, celles-ci étant basées uniquement sur les quantités de pluies et non sur une étude globale du climat.

4. Les Grecs

En Europe, on emboîte le pas aux Indiens dans la foulée. Le philosophe grec Aristote (384-322 avant J.-C.) ouvre la voie en s’attachant à la compréhension des phénomènes terrestres de toutes sortes. Et c’est à lui que nous devons le terme « météorologie ».

La représentation du monde d’Aristote est alors intuitive. Il décrit les quatre éléments comme étant des sphères de même centre. La terre est alors surmontée successivement de l’eau, de l’air et du feu. Il développe plusieurs concepts, dont le plus important probablement : celui de la théorie des vents, qu’il présente dans son traité des Météorologiques, un ouvrage très dense, qui répertorie l’ensemble des vents suivant leur nature (froid, chaud), leur force et leur direction. Il énonce, dans sa théorie :

« C’est donc en déterminant les vents par le froid et la chaleur, et par la douceur de température qu’on les a dénommés. D’une manière générale, on peut diviser les vents en vents du nord et vents du midi. On met les vents d’ouest avec ceux du nord ; car ils sont plus froids, parce qu’ils soufflent de l’Occident ; et l’on met avec le vent du midi tous ceux qui viennent de l’est, parce qu’ils sont plus chauds, attendu qu’ils soufflent de l’Orient. »

Aristote décrit, également, les phénomènes optiques tels que l’arc-en-ciel ou le halo, mais aussi ceux en rapport avec l’eau comme la rosée ou la gelée. Il expose plusieurs idées sur les mers, les continents, les tremblements de terre, les orages. Et son regard se porte encore au-delà de l’atmosphère en incluant les comètes dans les météores.

Une étude réalisée en 1981 par l’historien sénégalais Cheikh Anta Diop (1923-1986) intitulée « Apport de l’Afrique à l’humanité en sciences et en philosophie » explique que le savoir d’Aristote est très probablement hérité de l’Égypte ancienne. Elle s’appuie sur les propres textes d’Aristote, dont certains sont issus de son œuvre les Météorologiques. Aristote considérait les Égyptiens comme « les plus anciens hommes » et les premiers créateurs de la civilisation humaine. Il apparaît dans cette étude qu’Aristote s’est rendu en Égypte et qu’il en aurait ramené un ensemble de connaissances. En ce qui concerne la météorologie, c’est sur le chapitre concernant les comètes qu’il fait référence aux Égyptiens. De façon générale, les Grecs auraient hérité leurs connaissances en mathématiques et en astronomie des savoirs égyptiens et babyloniens. Aristote écrit : « Aussi l’Égypte a-t-elle été le berceau des arts mathématiques. »

Pour expliquer l’existence des arcs-en-ciel, des halos et des parhélies liés, il parle déjà de la réfraction de la lumière², sans connaître alors les propriétés de la lumière : il observe que les rayons lumineux peuvent être déviés par l’eau, l’air ou des surfaces polies. Il est donc le premier à relier les couleurs de l’arc-en-ciel à la lumière du soleil et ainsi effleure les bases de l’optique moderne. Il ne conçoit pas, à l’époque, que la lumière blanche est, en fait, la somme de toutes les couleurs et ne connaît pas tous les types possibles d’interactions entre la lumière et les particules atmosphériques. Ces termes météorologiques seront développés ultérieurement.

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2 Phénomène par lequel les rayons lumineux sont déviés de leur trajectoire initiale lorsqu’ils changent de milieu (eau, air, verre). Une seule nouvelle direction est alors possible et les rayons ne repartent pas de là d’où ils viennent (à la différence de la réflexion).

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En ce qui concerne les phénomènes associés aux orages (l’éclair, le tonnerre, la foudre) mais aussi les typhons et les trombes, il développe l’idée que c’est l’élément air qui en est responsable. Selon lui, l’air, qui est une sécrétion de l’eau, forme le vent en s’accumulant et donne naissance à ces phénomènes. Il explique que l’air, par sa nature sèche ou humide, subit des réchauffements ou des refroidissements au contact des nuages, puis se retrouve projeté vers la terre sous forme de feu. Le tonnerre serait le bruit du coup lors de l’impact entre le vent et les nuages. Il introduit également la notion de froid et de chaud pour expliquer la formation des typhons et des trombes, ceux-ci ne pouvant alors se former que par l’accumulation et la rotation de vents chauds.

Enfin, pour les phénomènes liés à l’eau, il explique que la vapeur est une exhalaison (autrement dit une sécrétion) de l’eau. La vapeur ainsi sécrétée dans l’air subit au moins deux processus en fonction de la chaleur. Il écrit ceci :

« Quand la chaleur qui l’a élevée vient à manquer, soit qu’elle se disperse dans la région supérieure, soit même qu’elle s’éteigne parce qu’elle est emportée plus loin dans l’air qui est au-dessus de la terre, la vapeur refroidie par la disparition de la chaleur et par le lieu se réunit de nouveau, et redevient eau, d’air qu’elle était ; l’eau ainsi reformée est portée derechef vers la terre. »

Pour lui, c’est donc de la gelée blanche qui se forme lorsque la vapeur est gelée avant d’être formée en eau, surtout en hiver et dans les lieux froids. La vapeur se convertit en eau, sous forme de rosée quand il ne fait pas assez chaud pour qu’elle sèche, mais pas assez froid pour qu’elle gèle.

Sa représentation du monde intuitive n’était pas exacte, mais elle perdurera de nombreux siècles avant d’être réfutée par l’astronome italien Galilée (1564-1642). De même, les explications découlant de ses observations météorologiques ne sont pas celles données aujourd’hui. L’ensemble de son œuvre tombe dans l’oubli durant quinze siècles. Au final, l’héritage d’Aristote ne sera que peu repris par les précurseurs des temps modernes.

Théophraste (371-287 avant J.-C.), philosophe naturaliste grec, élève et successeur d’Aristote, poursuit les travaux du maître, toutefois, en s’intéressant plutôt à la prévision météorologique. Il publie son ouvrage Les signes du temps en 300 avant J.-C., dans lequel il explique les signes avant-coureurs de la pluie, du vent, des tempêtes et du beau temps. Il énonce, par exemple, « que la Nouvelle lune est généralement une époque de mauvais temps ». Les premiers et derniers quartiers correspondent alors à du beau temps et la pleine lune à du mauvais temps.

Voici une autre de ses prédictions : « Quand les rayons du soleil sont rouges, soit à son lever, soit à son coucher, on doit s’attendre à une abondante pluie ».

Prédiction qui se révèle fausse ou plutôt imprécise puisque l’on sait aujourd’hui qu’un ciel rouge le soir est plutôt synonyme de beau temps et qu’un ciel rouge le matin est plutôt associé à du mauvais temps (nous donnerons l’explication exacte dans la deuxième partie de cet ouvrage).

« Le soleil, si cet astre est brillant à son lever, sans être fort chaud, c’est signe d’un beau jour, mais quand il est pâle, c’est signe de grêle, pourvu que ce soit en hiver ; s’il se couche brillant et se lève de même, le lendemain, on est encore plus assuré d’avoir un beau jour. »

Cette prédiction est déjà plus juste, mais la notion de brillance solaire n’est pas appropriée. En fait, c’est le taux d’humidité de l’air qui détermine l’aspect brillant ou pâle du soleil (qui lui brille toujours de la même façon). Un air humide est, bien sûr, synonyme de mauvais temps et correspond à un soleil pâle. Dans sa prédiction, le fait que le soleil ne doit pas être chaud correspond probablement au risque d’orage lié à de fortes chaleurs.

Ainsi, cet ouvrage comporte tout de même des notions encore utilisées aujourd’hui, même s’il comporte de nombreuses erreurs ou approximations. Ces notions sont désormais largement développées et expliquées de manière scientifique.

La rose des vents

Déjà, à l’époque de l’Antiquité, alors que la météorologie n’en est qu’à ses balbutiements, la rose des vents (encore utilisée actuellement) voit le jour.

La rose des vents est un concept antique destiné à la navigation en haute mer. Les premiers textes où apparaissent les rudiments de la navigation sont phéniciens. Environ mille ans avant J.-C., les marchands phéniciens font largement usage de leurs bateaux pour leur commerce. Ils sont les premiers à développer la navigation au-delà des côtes. Pour cela, ils utilisent les connaissances astronomiques qui leur viennent du monde oriental. Ils se servent notamment de l’étoile polaire pour repérer le nord ainsi que de la position du soleil à midi pour trouver le sud. On retrouve dans leurs textes les premières évocations de vents. Sans les nommer, ils identifient la direction des différents vents dominant leurs zones de navigation. Ainsi, en haute mer, loin de tout repère terrestre, l’identification des vents locaux et la connaissance des quatre points cardinaux leur