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Un nouveau souffle pour le vent

Un nouveau souffle pour le vent

03.01.2020, par
La Naissance de Vénus, de Botticelli (détail). Le dieu du vent Zéphyr et la nymphe Chloris.
Si la circulation des vents est connue depuis longtemps, ses interactions avec le système climatique restent en partie méconnues. Grâce aux satellites, les scientifiques prennent désormais de la hauteur pour scruter le vent à toutes les altitudes et en tout point de la planète.

Cet article a été publié dans le n° 7 de la revue Carnets de science, en vente en librairie.

Une dizaine de jours à peine après sa mise en orbite en août 2018, le satellite Aeolus a commencé à envoyer ses premières mesures de vent. Les climatologues et les météorologues les guettaient avec d’autant plus d’impatience que cette mission spatiale, mise en œuvre par l’Agence spatiale européenne, a demandé près de vingt ans de préparation. Aladin, son précieux passager, acronyme d’Atmospheric Laser Doppler Instrument, est en effet un instrument unique au monde qui mesure le déplacement des particules et des molécules dans les différentes couches de l’atmosphère, et ce jusqu’à 30 kilomètres d’altitude – une première !

Situé à 320 kilomètres d’altitude, le satellite Aeolus génère 100 profils de vent par heure sur la totalité du globe.
Situé à 320 kilomètres d’altitude, le satellite Aeolus génère 100 profils de vent par heure sur la totalité du globe.

Si les grands courants atmosphériques tels que les alizés ou les vents régionaux comme la tramontane sont expliqués et modélisés depuis longtemps, il n’en va pas de même pour les vents soufflant à plus haute altitude ou pour les vents verticaux, ces masses d’air qui s’élèvent et descendent selon qu’elles se réchauffent ou, au contraire, se refroidissent. Grâce à Aeolus et aux « lidars » (lire encadré plus bas) d’Aladin, les chercheurs vont pouvoir multiplier les mesures directes jusque dans la stratosphère (située entre 12 000 et 50 000 mètres d’altitude), mais aussi dans les zones tropicales où se forment les cyclones et tempêtes – il est difficile en effet de déployer des instruments d’observation en pleine mer… Ces données, cruciales pour la recherche, permettront de mieux comprendre, et donc de mieux prévoir le rôle des vents dans un système climatique qui est en plein dérèglement.

Combler les différences de pression 

En croisant à 320 kilomètres au-dessus de nos têtes, Aeolus poursuit en réalité une quête vieille comme la curiosité humaine. Son petit nom, la forme latine de l’Éole grec, dieu des vents, résonne comme un hommage à la fascination qu’ont de tout temps éveillé bourrasques, brises, rafales et autres tempêtes. Au IVe siècle avant notre ère, déjà, Aristote décrivait en détail dans ses Météorologiques, le zéphyr, le borée et quantité d’autres vents… Le philosophe grec avait aussi compris que la Terre était ronde. « D’où vient le vent ? Tout simplement du fait que notre planète est une sphère, explique Philippe Drobinski, directeur du Laboratoire de météorologie dynamique1. Certaines régions du globe reçoivent plus d’énergie solaire que d’autres. La région équatoriale, exposée à un rayonnement solaire plus vertical que les pôles, accumule ainsi plus d’énergie. Ces répartitions inégales de chaleur créent des courants d’air, qui transportent l’énergie des zones en excédent vers les zones déficitaires. »
 

D’où vient le vent ? Tout simplement du fait que notre planète est une sphèreCertaines régions du globe reçoivent plus d’énergie solaire que d’autres. 

Au milieu du XVIIe siècle, la physique newtonienne a formalisé ces phénomènes de conservation d’énergie et a permis de jeter les bases du système global de la circulation des vents, dont les grands mécanismes sont désormais bien identifiés. Du fait que l’air chaud monte, une zone fortement ensoleillée va progressivement manquer d’air ; la pression atmosphérique diminue ; on est en zone de basse pression, dite aussi dépression. À l’inverse, une zone voisine moins ensoleillée enregistre une pression atmosphérique plus forte ; une zone de haute pression se forme, dite aussi anticyclonique. Le courant d’air, en circulant d’une zone à l’autre, va rééquilibrer les pressions et combler le déficit d’air dans la zone de dépression. 

Cette mécanique générale, qui règle le système des vents à l’échelle climatique, c’est-à-dire planétaire, subit en outre l’influence d’autres éléments essentiels : notamment le fait que la Terre tourne sur elle-même et que sa surface n’est pas homogène – le relief varie, il y a une alternance d’océans et de continents…

Trois grandes zones de circulation

Schéma de la circulation globale des vents. Trois grandes zones de circulation s'étendent de part et d'autre de l'équateur : la cellule de Hadley, la cellule de Ferrel et la cellule polaire.
Schéma de la circulation globale des vents. Trois grandes zones de circulation s'étendent de part et d'autre de l'équateur : la cellule de Hadley, la cellule de Ferrel et la cellule polaire.

Depuis les recherches qui ont été menées par deux Britanniques, George Hadley et Gilbert Walker, aux XVIIIe et XXe siècles, on sait qu’il existe trois grandes zones de circulation qui s’étendent de part et d’autre de l’équateur dans l’hémisphère nord et l’hémisphère sud (lire encadré plus bas). Une première ceinture, la cellule de Hadley, part de l’équateur pour s’étendre jusqu’aux latitudes d’environ 30 degrés. L’air chaud de l’équateur, réchauffé encore par les alizés qui convergent du nord et du sud, s’élève vers de hautes altitudes puis est entraîné vers les pôles. Mais à force de rencontrer de l’air froid, il est stoppé aux alentours de 30 degrés. Refroidi, donc plus lourd, il retombe et augmente la pression atmosphérique. Résultat : l’air chaud et humide est bloqué et ne peut monter, empêchant du même coup la formation de nuages. C’est la raison pour laquelle des bandes désertiques comme le Sahara se sont formées à hauteur de ces 30 degrés de latitude.
 

Plus on s’approche des pôles, plus la température diminue et plus l'air devient lourd. C’est le choc entre ces anticyclones très lourds et des dépressions très creusées qui provoque les fronts, où les vents extrêmement violents peuvent aller jusqu’à la tempête.

La deuxième zone, appelée cellule de Ferrel, est comprise entre 30 et 60 degrés environ de latitude et permet de comprendre une bizarrerie bien connue des habitués des vols Paris-New York : pourquoi rejoindre New York prend-il parfois près d’une heure de plus que revenir à Paris ? Réponse : parce que l’avion doit alors faire face au courant-jet ou jet stream, un vent qui peut souffler jusqu’à plus de 200 kilomètres à l’heure (km/h) et qui se forme exactement dans la zone de vol des long-courriers, entre 7 et 12 kilomètres au-dessus du niveau de la mer.

Pour décrire les trajectoires très sinueuses de ce front, Philippe Drobinski utilise une image simple : celle du pack de rugby (autrement dit, les huit joueurs des lignes d’avants). « Plus on s’approche des pôles, plus la température diminue, et cela de plus en plus vite. On va donc avoir de l’air de plus en plus lourd. Imaginez maintenant la mêlée de rugby : au nord, l’équipe des lourds, au sud l’équipe des légers. Si, en pleine poussée, un joueur se décale sur le côté, c’est toute la mêlée qui va tourner. C’est ce qui se passe avec le courant-jet : il n’est pas rectiligne, mais oscillant, parce que ces masses d’air passent leur temps à pivoter d’un côté ou de l’autre. » C’est le choc entre ces anticyclones très lourds et ces dépressions très creusées qui provoque des fronts, où les vents extrêmement violents peuvent aller jusqu’à la tempête.
 
La troisième zone, la cellule polaire qui va de 60 degrés de latitude aux pôles, se caractérise par des vents froids descendants très secs, qui accentuent la zone de désert aux pôles, avec peu de conflits de masses d’air. Voilà pour la cartographie générale…

Des mouvements verticaux et horizontaux 

La formation des cyclones et des ouragans, dont les vents peuvent enregistrer des pointes jusqu’à 350 km/h, met en œuvre une autre mécanique qui demande la conjonction de deux facteurs principaux : une mer dont la température est supérieure à 26 °C jusqu’à 50 mètres de profondeur au moins (c’est elle qui, par évaporation, libère un air chargé d’humidité) et des vents homogènes, soufflant avec la même force et dans la même direction de la surface jusqu’à une altitude d’au moins 12 kilomètres. Le taux d’humidité doit être suffisamment important pour déclencher les précipitations. L’air chaud ascendant crée un effet de cheminée et creuse la dépression de surface. Mais c’est la force engendrée par la rotation de la Terre, la force de Coriolis, qui déclenche le mouvement de tourbillon, avec plus ou moins de puissance selon que l’on se trouve près de l’équateur (où cette force est nulle) ou à une latitude plus élevée. Entre 0 et 5 à 7 degrés de latitude, elle est trop faible pour provoquer un tourbillon, ce qui explique que les cyclones et les ouragans ne se forment jamais dans des zones situées à moins de 600 kilomètres de l’équateur.

Le cyclone Irma a frappé Porto Rico (Grandes Antilles) en septembre 2017. Pour qu’un cyclone se forme, il faut que la température de la mer soit supérieure à 26 °C jusqu’à 50 mètres de profondeur au moins.
Le cyclone Irma a frappé Porto Rico (Grandes Antilles) en septembre 2017. Pour qu’un cyclone se forme, il faut que la température de la mer soit supérieure à 26 °C jusqu’à 50 mètres de profondeur au moins.

Ces phénomènes extrêmes révèlent à quel point l’atmosphère est un système complexe. Il inclut des mouvements à la fois verticaux et horizontaux. Les courants atmosphériques sont aussi indissociablement couplés aux évolutions de température, aux océans et aux nuages. Ce sont ces multiples interactions que la science cherche aujourd’hui à mieux comprendre. « Nos campagnes d’observation permettent d’obtenir des mesures inédites et d’améliorer notre modèle du système global, résume Évelyne Richard, du Laboratoire d’aérologie2 à l’Observatoire Midi-Pyrénées, à Toulouse. Plus le modèle s’approchera de la réalité, plus il permettra des prévisions météorologiques fiables et précises. Dans le cas des cyclones, par exemple, il est crucial de pouvoir mesurer quelle quantité de chaleur et d’humidité va être extraite de l’océan, afin de pouvoir en prévoir la puissance. »

 

Nos campagnes d’observation permettent d’obtenir des mesures inédites et d’améliorer notre modèle du système global (...). Plus le modèle s’approchera de la réalité, plus il permettra des prévisions météorologiques fiables et précises.

Le programme est plus vaste qu’il peut y paraître et demande des cerveaux, du matériel et des moyens logistiques importants. En France, neuf laboratoires dédiés à la recherche sur les vents et le climat se sont réunis au sein de l’Institut Pierre-Simon Laplace3, qui coordonne les travaux et les partenariats extérieurs, en particulier avec Météo-France, et ne cesse d’imaginer de nouveaux moyens de mesurer le vent. Si le bon vieil anémomètre, qui mesure la vitesse du vent, continue d’assurer du service un peu partout sur la surface terrestre, ses mesures se limitent aux vents de surface, à 10 mètres au-dessus du sol précisément, en vertu d’une norme internationale.

Pour monter plus haut, les chercheurs ont développé au fil des ans une palette d’instruments, du ballon équipé de GPS (on déduit la vitesse du vent de la vitesse de déplacement du ballon) aux vents mesurés par les avions de ligne. Mais les données collectées restaient limitées autant en altitude que sur la taille de la zone couverte… C’est le développement des technologies de télédétection au moyen des ondes qui leur a permis de mesurer les vents sous (presque) toutes leurs coutures (lire encadré plus bas).

Vent et océans, un couple mal connu

La télédétection va notamment permettre de se pencher sur un couple particulièrement mal connu dans le système climatique : celui formé par le vent et les océans. Car ici, les échanges de chaleur et de matière entre l’atmosphère et la surface de l’eau jouent à plein. « Le vent favorise non seulement l’évaporation et le refroidissement de l’eau en surface, rappelle Danièle Hauser, directrice de recherche au Laboratoire atmosphères, milieux, observations spatiales4 (Latmos), mais également les échanges gazeux, l’un des mécanismes les plus efficaces étant l’inclusion de bulles d’air dans l’eau lorsque les vagues déferlent. De plus, le vent et les vagues contribuent à former des courants jusqu’à quelques dizaines de mètres de profondeur, qui modifient le contenu en chaleur des couches superficielles de l’océan. » Quant aux vagues produites par le vent, parfois à des centaines de kilomètres de distance, elles agissent en retour sur les vents de surface, en modifiant ce que les experts appellent la rugosité, autrement dit la présence d’obstacles plus ou moins importants susceptibles de modifier la vitesse et la circulation des vents localement.
 

Le vent et les vagues contribuent à former des courants jusqu’à quelques dizaines de mètres de profondeur, qui modifient le contenu en chaleur des couches superficielles de l’océan.

Pour en savoir plus, un autre satellite scrute désormais la surface des océans : en octobre 2018, le CFOsat (China-France Oceanography SATellite) a été mis en orbite. Cette mission spatiale franco-chinoise, pilotée par le Centre national d’études spatiales côté français et dont Danièle Hauser est la responsable scientifique, permet pour la première fois de réaliser des mesures simultanées des vagues et des vents, qui permettront de mieux comprendre et de représenter leurs interactions multiples.

Les chercheurs ne se désintéressent pas pour autant des vents qui soufflent à des échelles plus réduites, bien au contraire. Même si les coups de colère du sirocco à Bonifacio s’expliquent facilement par le goulet qui l’étrangle entre la Corse et la Sardaigne ou si la brise qui rafraîchit les Parisiens provient de l’écart de température entre la capitale et sa banlieue, le moindre recoin du globe mérite d’être mesuré avec la plus grande précision, car une petite erreur peut fausser l’ensemble du modèle climatique, et donc la finesse des prévisions.

Mis en orbite en octobre 2018, le satellite franco-chinois CFOsat permet de réaliser des mesures simultanées des vagues et des vents.
Mis en orbite en octobre 2018, le satellite franco-chinois CFOsat permet de réaliser des mesures simultanées des vagues et des vents.

Un obstacle freine ici la recherche, qui ne concerne ni le coût du matériel ni la difficulté à organiser des campagnes d’observation en avion. Il s’agit de la puissance de calcul nécessaire pour analyser et intégrer les données. Tous les chercheurs font le même constat : la connaissance climatique est entrée de plain-pied dans le domaine du big data et de plus en plus d’informaticiens spécialisés dans le calcul à haute performance viennent travailler aux côtés des physiciens, eux-mêmes bons connaisseurs du code. Reste à savoir jusqu’à quand les ordinateurs réussiront à absorber les téraoctets de données qu’on leur demande d’analyser.

L’impact du changement climatique

Au Laboratoire des sciences du climat et de l’environnement5, Robert Vautard s’interroge : dans une dizaine d’années, les ordinateurs seront-ils encore adaptés à la modélisation d’observations réalisées à des échelles toujours plus fines ? Pourtant, le temps presse. Selon ce climatologue, qui contribue actuellement au prochain rapport du Giec (Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat), « les impacts du changement climatique sur la dynamique de l’atmosphère restent difficiles à cerner, mais il est certain que celle-ci est concernée au même titre que les variations de température ou de précipitations ».
 

Toute la bande tropicale, où se situe la cellule de Hadley, est en train de se décaler, et l’écart pourrait atteindre 5 à 10 degrés de latitude. Cela entraînerait le déplacement de la zone désertique actuellement située dans le Sahel jusqu’au bassin méditerranéen. 

À défaut de pouvoir encore modéliser les conséquences du changement climatique sur les vents, Robert Vautard affirme que des modifications sont d’ores et déjà observées : on repère ainsi une tendance des différentes zones à remonter vers les pôles. « Toute la bande tropicale, où se situe la cellule de Hadley, est en train de se décaler, et l’écart pourrait atteindre 5 à 10 degrés de latitude, explique-t-il. Cela entraînerait le déplacement de la zone désertique actuellement située dans le Sahel jusqu’au bassin méditerranéen. » Par ailleurs, on constate que les pôles se réchauffent plus vite que l’équateur. Avec une différence de température moins marquée entre ces deux zones, les vents devraient s’affaiblir et les fronts diminuer d’intensité.

Même si elles sont encore trop parcellaires pour parler avec certitude d’un phénomène avéré, les observations récentes relèvent des phases de ralentissement du jet stream qui pourraient être à l’origine d’épisodes de canicule de plus en plus fréquents dans des régions tempérées comme l’Europe du Nord et d’inondations d’une ampleur inédite.

Des cyclones plus intenses 

Mais qu’en est-il des cyclones et des ouragans, dont on a l’impression qu’ils frappent de plus en plus fort et souvent ? « Ils ne sont pas plus nombreux qu’auparavant, répond Robert Vautard, mais plus intenses, et ils ont tendance, eux aussi, à se décaler vers le nord, dans la zone des Caraïbes, là où ils sont le plus violents. » Un autre phénomène récent préoccupe le chercheur : la tendance des cyclones à dévier de leur trajectoire habituelle. Les exemples d’Ophelia, en 2017, et de Leslie, l’an dernier, qui ont frappé directement les côtes du Portugal sans faire le détour habituel par les côtes américaines, ne suffisent pas à soutenir qu’un changement profond est en cours, mais les premiers modèles rendent, selon lui, l’hypothèse pertinente. Et, d’ores et déjà, les observations confirment que les vents d’altitude au-delà de 20 kilomètres sont de plus en plus froids, alors que le bas de l’atmosphère se réchauffe. Le choc entre ces deux masses d’air, qui est à l’origine des cyclones, ne peut en devenir que plus violent.
 

Simulation numérique du cyclone Berguitta à l’approche de l’île de la Réunion en janvier 2018. Les zones grisées représentent les précipitations. La circulation autour de l’œil est matérialisée en rouge.
Simulation numérique du cyclone Berguitta à l’approche de l’île de la Réunion en janvier 2018. Les zones grisées représentent les précipitations. La circulation autour de l’œil est matérialisée en rouge.

Autant dire que les attentes vis-à-vis de la mission spatiale Aeolus, qui couvre des zones pour lesquelles on ne disposait jusqu’ici que de peu d’observations directes, sont considérables. « Nous sommes déjà en train de constater une petite différence entre les mesures de vents tropicaux envoyées par Aeolus et celles simulées par nos modèles théoriques, révèle Alain Dabas, directeur du Groupe de météorologie expérimentale et instrumentale du Centre national de recherches météorologiques6, chez Météo-France. Cela suggère qu’on a sans doute mis le doigt sur des défauts systématiques dans les modèles. ». 

Très longs à avoir vu le jour, les lidars d’Aeolus semblent donc en passe de remplir leur mission. « Aeolus est un explorateur qui doit démontrer qu’il est capable de voler et de fournir des données susceptibles d’améliorer nos prévisions », rappelle Alain Dabas. Chez Météo-France, on calcule donc fébrilement les indices de qualité des prévisions. Ici, les ingénieurs ont coutume de dire : « Une année de travail pour un pourcent d’amélioration. » Ils comptent beaucoup sur Aeolus pour gagner quelques années d’un coup. Et ils se prennent à rêver d’un Aeolus 2. Les rumeurs disent d’ailleurs qu’Eumetsat, organisation européenne pour l’exploitation des satellites météorologiques, commence à y penser aussi. En espérant que ce petit frère ne prendra pas vingt ans pour mettre le nez au vent. 

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Mesurer le vent : les avancées de la télédétection

Faisceaux laser du lidar vert de l’Observatoire de Haute-Provence.
Faisceaux laser du lidar vert de l’Observatoire de Haute-Provence.

La télédétection est le moyen privilégié par les chercheurs pour mesurer le vent. Le sodar, petit frère du radar, ressemble à un gros haut-parleur qui émet des ondes sonores. Quand celles-ci reviennent, l’appareil mesure le décalage de fréquence (c’est l’effet Doppler) et le traduit en vitesse de vent. Il peut agir jusqu’à environ 1 000 mètres d’altitude.
Le radar, qui utilise un principe similaire, mais avec des ondes radio, permet de grimper au-delà des 10 000 mètres, mais comme le sodar, il reste au sol, ce qui restreint son champ d’action.
Le lidar envoie des ondes laser dans l’atmosphère. Multidirectionnel, il peut mesurer des vents dans un rayon d’une dizaine de kilomètres, dans toutes les directions et sans limite d’altitude. Les plus puissants des lidars utilisés au sol atteignent la stratosphère (située entre 12 000 et 50 000 mètres d’altitude). Autre avantage : « Le lidar est multitâche et peut observer l’évolution de l’ozone, de la température du vent ou encore des particules stratosphériques », explique Alain Hauchecorne, chercheur au Latmos. 
 

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Mieux modéliser pour mieux prédire le temps

Ce Falcon 20 équipé d’un radar Doppler mesure les variations de vitesse du vent à l’intérieur des nuages.
Ce Falcon 20 équipé d’un radar Doppler mesure les variations de vitesse du vent à l’intérieur des nuages.

Si mieux mesurer le vent est crucial pour la compréhension du système climatique global, cela permet aussi et surtout d’affiner toujours plus les modèles météorologiques, dont le vent est l’une des principales clés. « Il y a une trentaine d’années, les modèles de prévision du temps étaient fondés sur une maille de 100 kilomètres, rappelle Évelyne Richard, du Laboratoire d’aérologie. Aujourd’hui, celle-ci est de l’ordre du kilomètre, voire de quelques centaines de mètres dans certains modèles. » Un grand pas pour la météorologie, puisque ce n’est qu’à ce niveau de résolution qu’on a pu commencer à décrire les systèmes nuageux les plus intenses comme les cumulonimbus. Mais les plus petits transports verticaux de l’air, conduisant aux petits cumulus en forme de chou-fleur ou aux thermiques particulièrement appréciés par les parapentistes, échappent encore à la maille du kilomètre. Pour les traquer, il faudra resserrer l’échelle à une dizaine de mètres…
 Mieux comprendre les nuages et leurs interactions avec le vent, Julien Delanoë, au Latmos, y consacre toutes ses recherches : il jongle avec la microphysique des nuages, les radars, les lidars et les observations in situ, à bord d’avions rompus aux cabrioles. « Dans les nuages, il y a du cisaillement de vent, c’est-à-dire des différences de vitesse ou de direction. De l’intérieur, on peut observer très nettement ces cisaillements verticaux ou horizontaux, et on voit vraiment des couches où le vent change, raconte le chercheur, qui précise qu’il est essentiel de pouvoir mesurer la vitesse verticale du vent avec précision, notamment parce que l’air qui monte peut contrer la chute de cristaux de glace. On peut ainsi faire la distinction entre des cristaux légers venant de se former et de gros cristaux très denses, qui ne pourront pas être bloqués par la montée de l’air chaud et donneront lieu à des averses de grêlons. » 
 
 

 

 

Notes
  • 1. Unité CNRS/École polytechnique/École normale supérieure/Sorbonne Université.
  • 2. Unité CNRS/Univ. Toulouse III Paul-Sabatier.
  • 3. Unité CNRS/Univ. de Versailles Saint-Quentin-en Yvelines/Sorbonne Université/CEA/ENS Paris/École polytechnique/IRD/Univ. Paris-Diderot/Univ. Paris-Est Créteil Val-de-Marne.
  • 4. Unité CNRS/Univ. de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines/Sorbonne Université.
  • 5. Unité CNRS/Univ. de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines/CEA.
  • 6. Unité CNRS/Météo-France.

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