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MODELES CLIMATIQUES(1)

Le réchauffement climatique est en route. 

Expérimentations dans l'atmosphère avec des ballons-sondes.

Il est plus que jamais nécessaire de réaliser des expériences scientifiques dans l'atmosphère terrestre avec des instruments embarqués dans des ballons-sondes pour étudier par exemple le réchauffement climatique. Avec des projets réalisés par des élèves ou des étudiants ou des radioamateurs, il est possible d'expérimenter sur une quantité de paramètres physiques très intéressants pour étudier l'évolution du climat actuel. 

Il y a deux aspects à considérer : 

--- les mesures physiques dans l'atmosphère : pression, température, humidité relative... ( P,T,U ).

--- la connaissance des vents : force et direction. 

Contrairement aux anciennes méthodes, actuellement tous les paramètres de l'atmosphère y compris ceux des vents, sont calculés à l'avance par des calculateurs puissants à partir de conditions initiales connues. Les prévisions portent sur les paramètres classiques comme les températures ou les pressions mais aussi sur les forces et directions des vents. La précision sur tous ces paramètres est aujourd'hui excellente grâce aux réseaux de stations météorologiques, aux satellites et à l'augmentation de la puissance des calculateurs utilisés. Il est parfaitement possible de déterminer actuellement la trajectoire d'un ballon-sonde à l'avance, et de connaître l'évolution des paramètres physiques pendant un vol. Ceux qui pense que ce n'est pas possible, n'ont qu'à venir assister à nos projets et prendre connaissance de nos résultats. 

Concepts de base : 

L'expérimentation consiste à vérifier par des mesures physiques effectuées avec des capteurs embarqués, les prévisions établies grâce aux modèles météorologiques. Les paramètres sur les vents, force et direction sont comparés en traçant la trajectoire prévisionnelle et la trajectoire réelle à partir d'un logiciel ceci en temps réel. Le vol d'un ballon-sonde est donc suivi du début à la fin. 

Le lieu de lâcher est connu, et le lieu de chute également et cela avant le vol. L'incertitude apportée par  l'éclatement aléatoire de l'enveloppe latex du ballon-sonde gonflé à l'hélium, est levée compte tenu que la technique actuelle permet :

1--- de laisser l'enveloppe éclater naturellement. A éviter car peu de précision pour les prévisions de chute.

2--- de faire éclater l'enveloppe par minuterie ou télécommande à distance. L'inconvénient est que le poids résiduel n'est pas connu. La précision est meilleure mais il faut tenir compte d'un poids résiduel approximatif. Par exemple 50% de la masse initiale.

3--- de larguer l'enveloppe ( poids restant parfaitement déterminé dans ce cas ) à tout moment du vol. Meilleure précision. 

4--- de régler l'altitude de vol du ballon en jouant avec une soupape télécommandée depuis le sol. Cette technique est utilisée sur les ballons à gaz ( soupape pour l'hélium et largage de sable ) ou sur les montgolfières ( chauffer ou ne pas chauffer l'enveloppe d'air chaud ).

Avantages principaux de ces concepts :  

--- connaître la trajectoire prise par le ballon avant le vol et pendant le vol. 

--- connaître le lieu de chute, ou modifier en vol le lieu de chute probable. Les conditions de sécurité à la chute sont donc désormais optimales. 

Conditions requises pour réussir une mission de ce type : 

--- utiliser un logiciel de prévision et de visualisation de trajectoires calculées et réelles.

--- utiliser un ou plusieurs GPS embarqués.  

--- connaître les modèles météorologiques et avoir accès aux données physiques et vents 24 h sur 24. 

Les modèles : 

Les modèles sont des représentations simplifiées de l'atmosphère terrestre. Les modèles climatiques représentent la Terre et son atmosphère par une succession de chiffres qui quantifient la pression, la température, l'humidité relative... et aussi la composition gazeuse de l'atmosphère... 

Il faut pour cela définir au sol une subdivision de la surface élémentaire ou maille ( exemple 20 x 20 km ou 1° x 1° ) et continuer en altitude en définissant des couches au dessus des subdivisions ( exemple 200 m ). Il faut connaître la pression, la température, l'humidité relative... dans chaque volume d'atmosphère ainsi constitué. 

Chaque volume est lié au volume d'à côté par des équations de la physique, connues depuis au moins un siècle. Les calculs sont faits par des logiciels capables de prendre en compte de nombreux paramètres climatiques dans chaque boîte élémentaire, par exemple de 200 km de coté et 200 m de haut. 

Si on connaît parfaitement les paramètres physiques d'une boite élémentaire à un moment donné, on obtient les valeurs de ces paramètres quelques minutes ou quelques heures plus tard. On va même jusqu'à calculer la tendance jusqu'en 2100, pour évaluer les effets du réchauffement climatique mais il faut 8000 heures de calculs sur ordinateur même avec l'Earth Simulator au Japon !

Notre expérimentation avec un ballon-sonde ne dure que 3 heures environ, on peut supposer que les paramètres physiques ne vont pas évoluer énormément pendant ce laps de temps. Mais il faut tenir compte de l'évolution dans le temps et aussi suivant les zones concernées. Pour les vols de longues durées, il faut sans cesse reprendre les modèles au fur et à mesure du vol.

On distingue deux sortes de modèles : 

A--- les modèles de circulation générale.

B--- les modèles couplés. 

Avec ces derniers modèles, il est tenu compte, des températures des océans, de la présence de la végétation, du relief, de la rugosité du sol, des nuages... Il faut considérer les modèles des océans ( sous la surface de la mer ), les modèles de la surface continentale, et le comportement des glaces. Dans le cas d'un vol de ballon de courte durée, on peut se satisfaire des modèles de circulation générale. Mais il faut savoir que les facteurs indiqués peuvent influencer les résultats quand on utilise les modèles de circulation générale. Il ne faut pas en conclure que ces modèles sont erronés. 

Pour certains modèles, les valeurs sont remplacées par des valeurs moyennes ( paramétrisation ).

Ces paramètres vont varier d'un modèle à l'autre, comme la taille des volumes élémentaires ou les couplages avec d'autres modèles.

Il existe une vingtaine de modèles dans les laboratoires. Pour savoir si les modèles sont bons, il faut les comparer entre eux, il y a des modèles plus ou moins sensibles, par exemple plus pluvieux que d'autres. 

On peut aussi les comparer aux observations réelles :

--- on dispose des valeurs suivant des modèles.

--- on recueille les valeurs réelles pendant le vol du ballon-sonde.

La comparaison peut se faire au moment du vol en temps réel ou après. 

En ce qui concerne le réchauffement climatique dont tout le monde météorologique parle, la tendance globale pour tous les modèles est :

--- réchauffement en altitude.

--- augmentation de la pluviométrie dans les zones tempérées.

--- pluies violentes et sécheresse.

Modèles couplés : 

Les modèles océaniques se rapportent aux masses d'eau.

Les modèles atmosphériques se rapportent aux masses d'air.

Taille des mailles : plus le nombre de mailles est élevé, plus le modèle est proche de la réalité. Autrement dit, le volume élémentaire doit être petit. Dans les zones peu habitées, les mailles sont plus grandes. Avec le modèle Arpége ( de MétéoFrance ) les tailles des mailles sont réduites sur la France et progressivement plus grandes vers les pôles. La taille est définie en degrés. 

Par exemple :  une maille de 1° représente  1/360 de la circonférence terrestre ( environ 110 km ).

Tous les modèles couplés prennent en compte les gaz à effet de serre (GES) : 

--- dioxyde de carbone.

--- méthane.

--- protoxyde d'azote.

--- ozone.

--- CFC.

--- soufre.

Le GIEC est un organisme comité chargé de l'état de la science de la climatologie : Groupe Intergouvernemental d'Etude du Climat. Cet organisme prend de plus en plus d'importance.

Tableau des 23 modèles retenus pour l'étude du climat et du réchauffement climatique :

  à suivre, 

©2002 concept par SIECLE21 toute reproduction autorisée si mention du site.08/01/2014