Commençons par dresser une rapide chronologie de l'histoire des modèles numériques qui, bien que spécifique à l'atmosphère terrestre, nous éclaire sur leur démarche de compréhension de la réalité et qui sera reprise plus tard pour les planètes de notre système solaire, puis pour les exoplanètes.
Tout commence avec les développements de la physique des fluides au XIXe siècle, qui permet l'émergence d'un cadre scientifique et rigoureux pour poser les bases de la physique atmosphérique et la compréhension des mécanismes à l'œuvre dans l'atmosphère. Plus précisément, la formulation des équations primitives atmosphériques par Bjerknes en 1904 montre que l'écoulement de l'air dans l'atmosphère est régi par sept équations à sept inconnues. Dès lors, selon Bjerknes, prédire le devenir de l'atmosphère reviendrait à intégrer dans le temps ces équations en les initialisant avec des données provenant de stations de mesures météorologiques
Le problème décrit pas Bjerknes s'avère complexe : on ne sait pas résoudre ces équations analytiquement en raison de leur forte non-linéarité. En 1922, Richardson tente de surmonter ce problème en découpant une zone géographique d'étude en cellules où il intègre les équations primitives en les discrétisant avec la résolution de différences finies. Pour ce faire, les calculs sont résolus à la main, une tâche qui semblerait aujourd'hui bien fastidieuse.
Bien que son intuition et son ambition soient remarquables, son expérience « d'ordinateur humain » échoue à reproduire les résultats espérés de l'écoulement atmosphérique. En effet, son système d'équation ne prenait pas en compte des termes d'ondes atmosphériques à haute fréquence pourtant présentes à l'initialisation du problème, ce qui a conduit à la divergence de la solution. Son expérience ne sera tentée à nouveau qu'après l'avènement de l'ère informatique dans la seconde moitié du XXe siècle.
On peut voir sur cette page issue d'un travail de Richardson le découpage de l'atmophère en une grille régulière en Europe de l'Ouest. A chaque case correspond une ville se trouvant au plus proche du centre de la case pour mesurer la pression (cases noires) et le vent (cases blanches).
Crédit :
Charney 1951 / Google books
Techniques et méthodes
