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1968: la météorologie fait sa révolution

Un laboratoire pour la « météorologie dynamique ». Genèse, histoire et perspectives du LMD

Philippe Drobinski et Denis Guthleben

Texte intégral

1Le laboratoire de météorologie dynamique voit le jour comme unité propre du CNRS en 1968, l’année de toutes les révolutions. Lorsque ses premiers personnels prennent possession de leurs locaux, en juillet sur le site de Meudon-Bellevue, en région parisienne, le campus CNRS qui les accueille s’extirpe tout juste de l’ébullition qui l’a animé depuis le mois de mai et a retardé leur installation. En matière d’aventures scientifiques, il est des commencements plus sereins… L’inauguration du laboratoire ne marque toutefois pas l’aube de son parcours. Le LMD n’est pas tombé du ciel, si l’on peut dire, au cours de l’été 1968. Il est le fruit d’une genèse dont il faut dire tout d’abord quelques mots.

En marche vers le LMD

2Révolution pour révolution, les sciences du climat ont, elles aussi, connu des transformations majeures au lendemain de la Seconde Guerre mondiale, et vu peu à peu un changement de paradigme que la naissance du LMD est venue consacrer. La météorologie, d’une science descriptive du temps qu’il fait ou va faire dans des délais relativement proches, a commencé sa mue vers une science dite « dure ». Certes, au mitan du xxe siècle, on n’en était plus à craindre la colère des dieux ou à scruter le vol de hirondelles. Mais la convocation des mathématiques et de la physique pour fonder une science de l’atmosphère en mouvement, la météorologie dynamique, reposant sur la mesure des mouvements atmosphériques, l’accumulation et l’analyse des données et la simulation des écoulements planétaires, établit une bascule. Cette évolution s’appuie en prime sur deux avancées technologiques capitales : des calculateurs électroniques de plus en plus perfectionnés permettent de traiter les équations de la mécanique des fluides sans simplifications excessives, tandis que les satellites offrent la possibilité de recueillir en temps réel des données à l’échelle planétaire. Les éléments intellectuels et matériels qui vont former l’ADN du LMD jusqu’à nos jours se mettent ainsi déjà en place.

3Ces changements ne se produisent bien sûr pas en France uniquement. Ils s’inscrivent dans un contexte international, et sont confortés par des projets scientifiques conçus à l’échelle globale. Dès 1957-1958, l’Année géophysique internationale, qui a vu le lancement du premier satellite artificiel, Spoutnik-1, comportait un important volet dédié aux études atmosphériques. Au milieu de la décennie suivante, l’Organisation météorologique mondiale a à son tour élaboré un programme ambitieux : le GARP (Global Atmospheric Research Program, Programme mondial de recherche atmosphérique) est lancé en 1967, pour une période d’une quinzaine d’années, et préfigure le Programme mondial de recherche sur le climat. Autant dire que la décision prise par le CNRS en juillet 1968 de créer le LMD n’est pas isolée, loin de là, à une époque où l’établissement dispose en outre des moyens de ses ambitions : ses budgets ont progressé en moyenne et en valeurs constantes de 20 % chaque année depuis le retour au pouvoir du général De Gaulle dix ans plus tôt, et ses personnels sont passés d’un peu moins de 6 000 en 1958 à plus de 17 000 au moment où le laboratoire a vu le jour.

4Le LMD n’est pas davantage une création ex nihilo d’un point de vue purement institutionnel. Il réunit en effet deux formations antérieures. Depuis la fin des années 1940, un laboratoire de physique de la basse atmosphère menait à Meudon des travaux sur « les mouvements de l’air et du sable près du sol », l’hygrométrie et « le transfert vertical de la vapeur d’eau au voisinage du sol ». Placé sous la direction de Paul Queney (1905-1978), professeur à la faculté des sciences de Paris, il ne pouvait toutefois compter que sur des moyens limités : ses rapports d’activité, conservés dans les archives du CNRS, déplorent tout au long des années 1950 le manque de ressources humaines et matérielles, notamment l’absence d’une « machine à calculer électronique » réellement performante, pour atteindre des résultats concluants. Par ailleurs, au cours de la décennie suivante, un groupe de recherche s’est constitué autour d’un physicien spécialisé dans la recherche spatiale, Pierre Morel (1933-2024), et de la préparation du projet « Éole », pour l’utilisation de ballons en vol horizontal dans le cadre d’observations atmosphériques à longue distance. En décembre 1967, alors que le GARP se prépare, Pierre Morel rédige une « étude d’un projet de création d’un institut de météorologie du CNRS », un document étoffé que le laboratoire conserve toujours dans ses archives, et qui est comme l’acte de baptême – ou plutôt de conception – du LMD. Il souligne que la possibilité de participer au programme global de recherche météorologique et au système de surveillance météorologique de l’OMM (Organisation météorologique mondile) implique qu’« il faudrait non seulement inscrire au vie Plan un programme de satellites d’observations météorologiques mais encore donner aux scientifiques français le moyen de participer sur le plan scientifique et d’exploiter les observations recueillies : on a proposé pour cela la fondation d’un laboratoire ou institut spécialisé du CNRS doté de moyens de calcul numérique adéquats et tourné vers l’application des techniques spatiales à la météorologie ».

Des femmes, des hommes et des ballons

5Le même document révèle que la région toulousaine a d’abord été envisagée pour accueillir la nouvelle formation, en raison du développement du nouveau complexe spatial autour de la ville rose. Pierre Morel prévoyait d’y offrir aux chercheuses, chercheurs et personnels techniques et administratifs du laboratoire en gestation pas moins de 12 000 m² de locaux ! Cette option écartée, les débuts ont été plus modestes, à Meudon-Bellevue ainsi que, très vite ensuite, à l’École normale supérieure, où Yves Rocard (1903-1992), le directeur du laboratoire de physique de la rue Lhomond et l’un des grands patrons de la discipline en France, a proposé d’héberger une partie des équipes dès 1970. Une liste nominative établie trois ans plus tard, au début de l’année 1973, dévoile déjà la grande diversité des personnels. Le LMD réunit en effet à ce moment-là une soixantaine de personnes, relevant soit du CNRS (28, dont 8 femmes), soit de l’Université (5, dont 3 femmes), soit de l’ENS (3, dont 1 femme), ou sur contrat ou bourse avec le Centre national d’études spatiales (17, dont 3 femmes), la Délégation générale à la recherche scientifique et technique (5, dont 1 femme) et la Direction des recherches et moyens d’essais du ministère de la Défense (4 hommes). En 1976, le LMD a aussi posé un pied sur le nouveau campus de l’École polytechnique, qui venait de quitter Paris pour Palaiseau. Là, il a pu se doter d’un bureau d’études, d’un atelier mécanique et de moyens de développement, de test et d’étalonnage, qui lui ont permis de se positionner comme une structure majeure pour l’instrumentation et la météorologie expérimentale. Avec une nouvelle implantation sur le campus de l’université Pierre-et-Marie-Curie (devenue Sorbonne-Université), à Jussieu, à l’aube des années 1990, le laboratoire n’a ainsi jamais cessé d’être multi-sites.

6Sous les directions successives de Paul Queney, de Pierre Morel puis d’André Berroir (1933-2010) à partir de 1976, le LMD s’est fixé pour objectif de faire des études de la météorologie et du climat des sciences dites « dures », de développer la modélisation numérique, d’élaborer et de conduire des campagnes de mesure. Cette démarche s’est tout d’abord concrétisée dans le cadre du programme Éole, associant les agences spatiales française (le CNES) et américaine (la NASA). Une flottille de ballons-sondes a été lâchée de septembre 1971 à juin 1972 dans le courant-jet de l'hémisphère sud (479 ballons à 7 000 mètres d'altitude), où elle a dérivé pendant plusieurs jours, suivie par un satellite météorologique. Au sein du laboratoire, Robert Sadourny a pu développer la modélisation numérique et créer, avec Katia Laval en 1980, l’un des premiers modèles de circulation générale atmosphérique ; Olivier Talagrand l’expertise en assimilation de données en posant les fondements des systèmes opérationnels actuels ; Gilles Sommeria et Joëlle Ovarlez la préparation des campagnes de mesures. Cette expérience a permis, au plan scientifique, de raccorder les mesures de température à celles faites par les satellites et de mieux comprendre la circulation atmosphérique et la dispersion de l'énergie dans l'atmosphère, grâce au développement d’un modèle de circulation générale de l’atmosphère.

7Le programme Éole demeure l’un des meilleurs exemples de la démarche scientifique adoptée au sein du LMD : une approche intégrée associant les observations, la simulation numérique, les développements théoriques et l’analyse de données. Les ballons-sondes dérivants ont par la suite été largement utilisés par le LMD pour l’étude des mouvements atmosphériques dans les basses couches de nombreuses régions du monde, en Polynésie française, aux Seychelles, en Inde, en Afrique de l’Ouest et dans le bassin méditerranéen. Dès la fin des années 1980, une expérience dans la lignée de Éole mais dédiée à la dynamique de la stratosphère et à la chimie de l'ozone est conçue, après une longue maturation de plus de 20 ans avec le CNES. Elle aboutit en 2005 à la campagne Stratéole-Vorcore, lors de laquelle des ballons sont lâchés dans le vortex polaire depuis la base américaine McMurdo en Antarctique. La présence du LMD en Antarctique se poursuit toujours, en collaboration avec Météo-France, pour contribuer à la validation de missions spatiales.

8Le LMD est un acteur essentiel dans la réalisation de campagnes internationales, comme AMMA en 2006, menée dans tout le Sahel africain. Parmi ces missions, citons les plus récentes, EUREC4A à Barbade en 2020, RALI-THINICE au Svalbard en 2022 et MAESTRO au Cap-Vert en 2024.

De la Terre à l’espace

9Progressivement, le LMD a joué un rôle majeur dans l’élaboration de missions spatiales d’observation de la Terre. À partir de 1974, il a développé la base de données spectroscopiques GEISA donnant à la France et plus largement à l'Europe une autonomie par rapport à la base américaine HITRAN alors partiellement classifiée. Ces travaux sont à la base de la modélisation du transfert radiatif dans l'infrarouge qui devient vite un domaine d'excellence du LMD, et la source d’inspiration de nombreuses missions spatiales pour la mesure de la composition atmosphérique (vapeur d’eau, polluants gazeux, gaz à effet de serre). De même, le LMD joue un rôle de premier plan dans l'élaboration du programme européen des satellites géostationnaires Meteosat, dont le premier exemplaire est lancé en 1977. Plus récemment, il est aussi au cœur de la mission spatiale Megha-Tropiques, lancée en 2011 par le CNES et son homologue indien ISRO, et qui vise à étudier le cycle de l’eau tropicale. L’instrument ScaRaB, developpé par le LMD, a été réalisé en trois exemplaires. Si les deux premiers, à bord de satellites russes, n’ont fourni que des résultats décevants, le troisième, à bord de Megha-Tropiques a donné une satisfaction plus qu’espérée (2011-2023). Il peut mesurer avec précision l’énergie entrant et sortant de l’atmosphère, à différentes longueurs d’onde.

10Le LMD a apporté sa contribution à bien d’autres missions spatiales, parmi lesquelles on peut mentionner, sans prétendre à l’exhaustivité, le programme international IASI (Interféromètre atmosphérique de sondage dans l'infrarouge). Développé par le CNES en coopération avec Eumetsat, cet instrument IASI équipe les satellites météorologiques européens Metop. Sa force : outre la température et l’humidité de l’atmosphère, IASI mesure plus de 30 composants atmosphériques avec une très grande précision et participe à la surveillance du climat. Trois satellites Metop ont été lancés depuis 2006. Le LMD est impliqué dans la continuation du programme, IASI-NG (Nouvelle Génération), qui équipera les futurs satellites Metop-SG (Second Generation).

11Depuis les années 1980, sous l’impulsion de Pierre Flamant (1942-2020), le LMD développe également des lidars, instruments de télédétection active par laser de l’atmosphère, notamment pour l’observation des aérosols et des nuages, ainsi que pour la mesure du vent. Le laboratoire est investi dans de nombreuses missions spatiales intégrant cette technologie, comme celles des satellites Calipso (CNES-NASA), ADM-Aeolus (ESA), EarthCARE (ESA-JAXA). À ces satellites déjà lancés, on peut ajouter Merlin (CNES-DLR) pour la détection du méthane.

12C’est sur la base de cette technologie lidar que P. Flamant a développé en 1997, au sein de l’Institut Pierre Simon Laplace et sur le campus de l’École polytechnique, le site d’expérimentation SIRTA, un service d’observation dédié à la recherche sur les nuages et les aérosols. En 2009, le LMD se lance dans la conception de lidars pour la mesure de concentration des gaz à effet de serre.

13Le LMD participe activement au programme européen Copernicus pour la construction d'un système de service en matière de surveillance de la qualité de l’air et du climat. Ce programme, coordonné et géré par la Commission européenne, est mis en œuvre en partenariat avec les États membres et les organismes ESA, Eumetsat, ECMWF.

La modélisation numérique, jusqu’à Mars et au-delà !

14La modélisation numérique, initiée dès les années 1960 dans le cadre de la préparation du projet Éole, forme le deuxième pilier du LMD. Le développement du modèle de circulation générale du laboratoire stimule le développement d'un modèle spécifique de surface terrestre, baptisé Sechiba, afin de calculer l'équilibre énergétique et hydrique des écosystèmes terrestres. La première version du modèle est développée au LMD par Katia Laval et Robert Sadourny. Lors d’un séminaire interne tenu à l’abbaye de Fontevraud en 1990, la décision est prise collectivement de faire de ce code dynamique l’ossature du futur modèle de climat du LMD. Cinq ans plus tard, le modèle LMDz a commencé à être utilisé pour des études climatiques. Depuis, il n’a jamais cessé d’évoluer, et est devenu la composante atmosphérique du modèle intégré de climat de l'IPSL, utilisé dans l'effort de recherche international sur l'évolution future du climat, et qui simule la dynamique toutes les composantes du système Terre : l’atmosphère bien sûr, mais également l’océan et la surface continentale, incluant la cryosphère. Un travail constant est effectué sur l'évaluation des performances du modèle, qui permet la simulation d'observations effectuées par les instruments embarqués sur satellites.

15Néanmoins, si LMDz est au cœur de l’étude du climat terrestre, ses premières applications ont été martiennes. Le modèle est en effet le premier à simuler un cycle saisonnier entier sur la planète rouge. Ces versions de LMDz ont été développées en grande partie en lien avec l'exploration spatiale du système solaire (Mars, Titan, Vénus), et plus récemment avec la recherche de planètes extrasolaires. À partir de 2009, le laboratoire a consacré un effort important à la mise au point et la validation d’un nouveau cœur dynamique, Dynamico. Il repose sur des formulations mathématiques complexes, un maillage icosaédrique-hexagonal, pour dépasser les limitations de LMDz et exploiter au maximum les moyens modernes de calcul massivement parallèle. Cet effort découle des travaux théoriques de Robert Sadourny, et a bénéficié de façon cruciale de la clarification conceptuelle effectuée dans le travail d’extension de LMDz aux atmosphères planétaires profondes (Saturne, Jupiter). En 1996, le LMD a aussi initié le développement d’un modèle de chimie-transport, Chimere, à la suite des différentes lois et directives européennes comme la Convention sur la pollution transfrontalière, ou la loi sur l’air en France, qui définissent un cadre pour l’étude et la régulation de la qualité de l’air. La nécessité de développer des outils numériques pour mieux comprendre les processus physico-chimiques à l’origine de pollution atmosphérique, mais aussi de prévoir les pics de polluants tout en identifiant clairement les causes, ont motivé ce développement qui perdure en collaboration avec le LISA et l’INERIS.

Un acteur majeur des recherches sur le climat et l’environnement

16Dans les années 1970, alors que le LMD venait tout juste de voir le jour, la communauté scientifique a commencé à tirer le signal l’alarme sur le changement climatique et son origine humaine. Pour répondre aux questions toujours plus précises dans ce domaine, Robert Sadourny a participé à la fondation de l’Institut Pierre Simon Laplace, créé en 1994 sous l’impulsion d’un autre visionnaire, Gérard Mégie (1946-2004). Le LMD est l’un des laboratoires fondateurs de l’IPSL, dont la vocation est de fédérer les ressources et les expertises de laboratoires de la région Île-de-France travaillant sur le climat et l’environnement, afin de mieux comprendre le fonctionnement du « Système Terre » dans sa globalité ainsi que pour l’étude d’autres objets du système solaire. Depuis 2010, le LMD mobilise son expertise sur la physique du climat pour apporter sa contribution au développement de solutions d’adaptation au changement climatique et de réduction des émissions de gaz à effet de serre, dans la cadre large de la transition énergétique et la capture du carbone. En 2019, Philippe Drobinski a ainsi créé le centre interdisciplinaire Energy4Climate (E4C), qui fédère une trentaine de laboratoires et dont le LMD est membre fondateur. Dans ce cadre, le LMD conduit des analyses prospectives sur l’évolution du mix électrique sous la contrainte combinée de scénarios d’évolution de la demande électrique et du changement climatique en s’appuyant sur le modèle climat-énergie E4Clim développé au LMD. Il explore des solutions de ferme agrivoltaïque et de dispositifs de capture de carbone autour du SIRTA, ainsi que des approches basées sur la nature pour en évaluer les coûts et bénéfices pour l’atténuation et les synergies avec l’adaptation.

17Chemin faisant, le LMD a aussi connu son lot de transformations institutionnelles. En 1998, Claude Basdevant, successeur de Robert Sadourny à la tête du laboratoire, a notamment dû gérer la transition de statut d’unité propre du CNRS à celui d’unité mixte de recherche avec l’École Normale Supérieure, l’École polytechnique et l’Université Pierre-et-Marie-Curie. De la même manière, en 2010, après la direction d’Hervé Le Treut, Vincent Cassé a dû gérer le positionnement du laboratoire au sein des trois Initiatives d’excellence (IDEX) dont dépend le LMD, Paris Sciences et Lettres, Sorbonne Université et Paris-Saclay. Depuis sa création en 1968, les femmes et les hommes qui ont fait vivre le laboratoire et l’ont placé à la pointe de la recherche internationale ont ainsi suscité et accompagné de nombreuses évolutions, sans abandonner pour autant l’esprit que lui ont insufflé ses fondateurs. Toutes les contributions à ce dossier spécial, qui forment autant de regards croisés sur l’aventure du LMD depuis plus de 50 ans, en témoignent. Elles ne dévoilent pas toutes les facettes du laboratoire au cours de ce demi-siècle d’activité intense. Mais, au-delà de leur intérêt pour la connaissance de l’histoire de la recherche, elles visent aussi à nourrir la réflexion sur l’avenir des sciences du climat et de l’environnement, dans le prolongement d’une formidable aventure scientifique et humaine.

18Près de soixante ans d'histoire du Laboratoire de météorologie dynamique, qui a compté selon les périodes plus de deux cents personnels, ne peuvent se résumer à la sélection des vingt-quatre articles qui constituent le fil directeur de cette édition spéciale. Depuis 1968 et plus de quatre cents thèses soutenues, la trace de certaines recherches a pu également être perdue. Cette sélection est d’autant plus difficile que chaque contribution à cet effort de mémoire est également subjective et partielle. Elle permet néanmoins d'en apprécier les grands marqueurs. Cette édition spéciale nous invite à explorer les avancées clés en sciences météorologiques et climatiques. Elle débute par la révolution scientifique de 1968, incarnée par la création du Laboratoire de météorologie dynamique, avant de nous expliquer les dynamiques des masses d'air sur Terre et au-delà, et les outils modernes de modélisation et d'observations des atmosphères planétaires, comme la télédétection. Elle explicite les jalons qui ont conduit à l'étude du changement climatique, et détaille les infrastructures nécessaires à ces recherches. Enfin, elle examine le rôle crucial de la recherche-action et de la formation face aux enjeux du changement climatique. Ces recherches n’auraient pas pu être conduites sans toutes les femmes et les hommes de tous corps de métier, administratifs, techniques ou scientifiques, dont nombre n’a pas pu être cité. Cette édition spéciale leur rend hommage et forme un trait d'union avec toutes celles et ceux qui vont désormais prolonger cette aventure scientifique et humaine.

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Pour citer cet article

Référence électronique

Philippe Drobinski et Denis Guthleben, « Un laboratoire pour la « météorologie dynamique ». Genèse, histoire et perspectives du LMD »Histoire de la recherche contemporaine [En ligne], Tome XIII n°1 | 2024, mis en ligne le 03 février 2025, consulté le 24 mai 2025. URL : http://journals.openedition.org/hrc/12899 ; DOI : https://doi.org/10.4000/13dhd

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Auteurs

Philippe Drobinski

directeur du LMD (2016-2024)

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Denis Guthleben

directeur délégué du Comité pour l'histoire du CNRS (CHC)

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Droits d’auteur

Le texte et les autres éléments (illustrations, fichiers annexes importés), sont « Tous droits réservés », sauf mention contraire.

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