US Date:28 October, 2020

Des ondes de pression de la taille d’un continent

Des théories sur les vagues il y a 220 ans

Les scientifiques ont commencé à émettre des théories sur les vagues il y a 220 ans. En juin, ils ont enfin trouvé des preuves solides.

L'atmosphère est un tel gâchis qu'elle défie toute analyse, même avec les algorithmes météorologiques les plus sophistiqués. Mais sa complexité n'a pas empêché le scientifique français Pierre-Simon Laplace de mettre en évidence un simple aspect du comportement de l'atmosphère à la fin des années 1700. Bien qu'il n'ait jamais vu de carte météorologique mondiale, Laplace a élaboré une théorie prédisant que des ondes de pression de la taille d'un continent feraient périodiquement le tour du globe.

"La modélisation atmosphérique du type crayon et papier était assez rudimentaire jusqu'au XXe siècle, et pourtant Laplace a réussi à le faire", explique David Randall, un scientifique atmosphérique de l'université d'État du Colorado. "Je pense que c'est stupéfiant."

Les idées de Laplace ont lancé une quête de plusieurs siècles pour trouver de telles ondes. Mais les oscillations se sont révélées aussi douces que géantes, refusant obstinément de se révéler, même à certains des plus grands noms des sciences physiques.

Enfin, la recherche est terminée. Un nouvel ensemble de données météorologiques exquises a permis de découvrir ce que des millions de relevés de baromètre ont manqué : un ensemble de vagues qui courent autour de la Terre, la recouvrant d'un patchwork de zones de haute et de basse pression. Cette détection est une justification étonnante d'une théorie ancienne.

"C'est un travail vraiment magnifique", déclare Leo Donner, géophysicien de l'université de Princeton qui n'a pas participé à l'étude.

Laplace s'est demandé dans quelle mesure la lune comprime gravitationnellement l'air entourant notre planète, et il a entrepris d'analyser les types d'ondes qui pourraient en résulter. Il a imaginé l'atmosphère comme un fluide fin sur une sphère lisse, et il a conclu que la gravité devrait fixer une catégorie d'ondes au sol, où elles se déplaceraient plus ou moins horizontalement : des ondulations bidimensionnelles qui épousent la surface de la planète. "Il a vraiment été le premier à avoir cette image en tête", déclare Kevin Hamilton, professeur émérite à l'université d'Hawaii, Mānoa, et co-auteur de cette nouvelle recherche. "C'était un aperçu étonnant".

Laplace n'a pas nommé ces ondes ni étudié leur comportement en détail, mais les scientifiques atmosphériques modernes les décrivent maintenant comme des "modes normaux" - des ondes qui résonnent comme le son d'une cloche. Le mode le plus simple fait monter la pression dans un hémisphère et la fait baisser dans l'autre. Les modes plus énergiques créent des modèles en damier de zones plus petites de haute et basse pression. Ils font le tour du globe, principalement vers l'est et vers l'ouest, à des vitesses dépassant celles de la plupart des avions de ligne.

Bien que Laplace ait commencé par penser à l'influence de la lune, les ondes proviennent davantage du pandémonium général de la Terre : Les tempêtes font rage. Les vents s'engouffrent dans les chaînes de montagnes. Les turbulences font encore bouger les choses. Une partie de l'énergie provenant de ces abus collectifs déclenche les modes normaux, qui sont les seuls tons auxquels l'atmosphère peut réagir. "C'est comme un chaton qui marche sur les touches du piano", dit Randall - les frappes aléatoires "peuvent vous montrer quelles sont les cordes du piano".

Laplace a mis dans la tête des gens l'idée que de telles ondes pourraient exister, et ses mathématiques ont donné aux physiciens les outils pour calculer l'accord de l'atmosphère. Mais qui pourrait en entendre les notes ?

À peu près au même moment où Laplace a sorti son modèle, des explorateurs et des naturalistes, dont Alexander von Humboldt, ont remarqué que la pression dans les tropiques montait et descendait toutes les 12 heures. Le calendrier quotidien reliait ces changements à la chaleur du soleil, mais les théoriciens ne pouvaient pas expliquer pourquoi l'effet était si important. Le mystère a continué à intriguer les scientifiques pendant près d'un siècle, jusqu'à ce que Lord Kelvin devine en 1882 que le cycle de chauffage du soleil résonnait avec l'une des "oscillations libres" de Laplace. Il pensait que le soleil pouvait donner une poussée démesurée car il créait des vibrations à la fréquence exacte de l'une des oscillations de Laplace, un peu comme un chanteur d'opéra peut briser un verre de vin avec la bonne hauteur. Sa proposition s'est avérée fausse - dans les années 1960, des chercheurs ont déterminé qu'un phénomène plus complexe amplifiait l'influence solaire - mais elle a incité les scientifiques à élaborer les détails quantitatifs de la théorie de Laplace et à calculer exactement les fréquences que les modes normaux devraient avoir.

Les notes les plus basses correspondant à ces prédictions n'entreront pas dans les archives scientifiques avant les années 1980, d'abord à partir d'une analyse du météorologue japonais Taroh Matsuno, puis d'une autre de Hamilton et Rolando Garcia, aujourd'hui au Centre national pour la recherche atmosphérique. Hamilton et Garcia sont tombés sur l'ensemble de données idéal : une station météorologique dans l'Indonésie coloniale qui a effectué des mesures de pression horaire pendant la majeure partie du siècle, ne manquant que deux relevés en 79 ans.

L'enregistrement était aussi méticuleux que prolongé, les chercheurs s'appuyant sur un microscope pour enregistrer des déplacements de mercure aussi fins qu'un centième de pouce. En analysant cet ensemble de données et d'autres, Hamilton et Garcia ont été en mesure d'identifier des traces de l'un des modes normaux les plus longs.

Les ondes plus courtes semblaient hors de portée jusqu'à l'année dernière, lorsque le Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme a publié un ensemble de données appelé ERA5. Ce produit combine les relevés de milliers de stations terrestres, de ballons météorologiques et de satellites, et il utilise des modèles météorologiques pour remplir intelligemment les blancs. L'ensemble de données qui en résulte vise à reconstituer les mêmes informations qui auraient été saisies par un réseau mondial de stations météorologiques espacées de 10 kilomètres et effectuant des relevés toutes les heures de 1979 à 2016.

Takatoshi Sakazaki, professeur assistant à l'université de Kyoto au Japon, ne cherchait pas les ondes de Laplace lorsque l'ERA5 est sorti. Il s'est d'abord concentré sur les variations de température, et il a considéré les pics de pression comme un bruit indésirable. Mais lorsqu'il a réalisé qu'il pouvait s'agir de modes normaux, il les a fait passer au-dessus des attentes théoriques, et voilà : "J'ai trouvé qu'ils correspondaient presque parfaitement", dit-il.

Sakazaki n'était pas sûr de l'importance de sa découverte, il a donc contacté Hamilton, qui avait été son conseiller de recherche postdoctorale, pour vérifier si les pics pouvaient présenter un intérêt.

C'est le cas. Hamilton avait passé des décennies avant 1980 à passer au crible les données des stations météorologiques pour trouver des indices des plus basses tonalités atmosphériques. Dans sa boîte de réception, il avait soudain la preuve de la symphonie complète.

Sakazaki et Hamilton ont travaillé ensemble pour analyser la structure tridimensionnelle complète des ondes dans des détails atroces ; ils ont publié leurs conclusions dans le numéro de juillet du Journal of the Atmospheric Sciences. Leurs recherches détaillent le comportement de plusieurs dizaines d'ondes, au-delà des quelques unes trouvées dans les années 1980. Certaines des ondes les plus énergétiques passent de la haute pression à la basse pression une douzaine de fois lorsqu'elles s'étendent autour de la planète ; d'autres séries d'ondes sont déclenchées par la rotation de la Terre. Tous leurs résultats correspondent précisément aux prévisions basées sur les équations de Laplace. "J'ai juste imaginé quand j'ai vu ça", dit Hamilton, "que Laplace et Kelvin et ces gars seraient excités de voir quelque chose comme ça."

David SCHMIDT

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