Historique du LMD

C’est une révolution de paradigme scientifique : la météorologie fait sa transition de science naturelle, descriptive, à une science “dure”, basée sur la physique et les mathématiques. La météorologie dynamique c’est la science de l’atmosphère en mouvement. Elle repose sur trois piliers qui constituent depuis 50 ans l’ADN du laboratoire : la mesure des mouvements atmosphériques, la simulation numérique des écoulements planétaires, et l’analyse de données.
En juillet 1968, le LMD, unité propre du CNRS est créé et Yves Rocard lui attribue des locaux à l’Ecole Normale Supérieure (ENS) que le LMD intègre en 1970. En 1974, le LMD s’installe également à l’Ecole polytechnique qui vient de déménager à Palaiseau puis en 1991, sur le campus de Jussieu de l’Université Pierre et Marie Curie. Dès l’installation à l’Ecole polytechnique, le LMD se dote d’un bureau d’études, d’un atelier mécanique et de moyens de développement, de test et d’étalonnage qui vont permettre au LMD de se positionner comme un laboratoire majeur dans le domaine du développement instrumental et de la météorologie expérimentale.

Au milieu des années 70, la communauté scientifique tire le signal l’alarme sur le changement climatique et sur son origine humaine. Pour répondre aux questions toujours plus précises sur l’évolution alarmante du climat, Robert Sadourny qui succède en 1985 à André Berroir à la direction du laboratoire, contribue à construire l’Institut Pierre Simon Laplace (IPSL) créé en 1994 grâce à l’impulsion d’un autre visionnaire, le regretté Gérard Mégie. Le LMD est un des laboratoires fondateurs de l’IPSL dont la vocation est de fédérer les ressources et expertises de laboratoires de la région Ile de France travaillant sur le climat et l’environnement afin de mieux comprendre le fonctionnement du “Système Terre” dans sa globalité et d‘autres planètes du Système solaire. En 1998, Claude Basdevant, qui a succédé 3 ans plus tôt à Robert Sadourny doit gérer la transition de statut d’Unité Propre du CNRS à celui d’Unité Mixte avec l’Ecole Normale Supérieure, l’Ecole polytechnique et l’Université Pierre et Marie Curie, et doit négocier de nouveaux locaux auprès des trois nouvelles tutelles universitaires du LMD. Enfin, en 2010, Vincent Cassé, qui vient de succéder à Herve Le Treut à la direction du LMD, doit gérer le positionnement du laboratoire au sein des trois Initiatives d’excellence (IDEX) dont dépend le LMD, Paris Sciences Lettres, Sorbonne Université et Paris Scalay, dont le but est de créer des ensembles pluridisciplinaires d’enseignement supérieur et de recherche de rang mondial.

Pierre Morel (à droite), Jacques Blamont (à gauche) et Jean-Pierre Causse (au centre), en 1963, alors membres de la direction scientifique du CNES.

A l’origine, autour de Paul Queney et Pierre Morel, l’objectif est donc d’intégrer les sciences de la météorologie et du climat dans la science  »dure ». Cela implique de développer la modélisation numérique et d’élaborer et conduire des campagnes de mesure. Cette démarche est entreprise dans le cadre du programme EOLE, associant les agences spatiales française (CNES) et américaine (NASA). Une flottille de ballons-sondes est 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 dérive pendant plusieurs jours, suivie par un satellite météorologique.  Dans ce contexte, il revient à Robert Sadourny de développer au sein du laboratoire nouvellement créé la modélisation numérique, à Olivier Talagrand l’expertise en assimilation de données et à Gilles Sommeria et Joëlle Ovarlez de préparer les 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. Le programme EOLE reste toujours le meilleur exemple de la démarche scientifique adoptée au LMD : une approche intégrée qui associe observations, simulation numérique, développements théoriques et analyse de données.

Les jeunes chercheuses et chercheurs qui accompagnent alors le projet visionnaire des pères fondateurs du laboratoire deviennent par la suite les architectes de nouvelles disciplines au sein des sciences de la météorologie et du climat. Robert Sadourny et Katia Laval deviennent parmi les pionnières et pionniers de  la modélisation numérique en météorologie, et c’est au LMD qu’il et elle créent en 1980 un des premiers modèles de circulation générale atmosphérique. Olivier Talagrand applique les nouvelles connaissances sur les systèmes non linéaires et chaotiques à l’assimilation de données et aux études sur la prévisibilité théorique du temps. C’est grâce à ces travaux, qui constituent les fondements des systèmes opérationnels actuels, que la prévision du temps a connu l’amélioration révolutionnaire qu’on a vu dans les 30 dernières années. Son oeuvre scientifique a été célébrée par de nombreuses reconnaissances scientifiques internationales.

Les ballons-sondes dérivants sont par la suite largement utilisés par le LMD pour l’étude des mouvements atmosphériques dans les basses couches dans de nombreuses régions du monde : Polynésie Française, Seychelles, Inde, Afrique de l’Ouest, Méditerranée (voir photo 2). Dès la fin des années 1980 une expérience dans la lignée de EOLE 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. Ce sera la campagne STRATEOLE-VORCORE (2005) au cours de laquelle des ballons-sondes dérivants seront lâchés dans le vortex polaire depuis la base américaine Mc Murdo en Antarctique. La présence du LMD en Antarctique se poursuit, en collaboration avec Météo-France pour contribuer à la validation de missions spatiales.

Le LMD joue  progressivement un rôle majeur dans l’élaboration de missions spatiales pour l’observation de la Terre.

A partir de 1974, le LMD développe 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 rapidement 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). Le LMD joue un rôle éminent dans l’élaboration du programme européen des satellites géostationnaires METEOSAT dont le premier exemplaire est lancé en 1977.

Instrument  ScaRaB développé au LMD dont 3 exemplaires ont été embarqués sur des satellites : 2 missions franco-russes 1994-95 (RESURS) et 1998-99 (METEOR) et la mission franco indienne Megha-Tropiques 2011-présent.

Le LMD est au cœur de la mission spatiale, Megha-Tropiques, mission conjointe entre du CNES et de son homologue indien ISRO, lancée en 2011. La mission Megha-Tropiques dont le nom même incarne la coopération franco-indienne (Megha signifie “nuage” en sanskrit) vise à étudier le cycle de l’eau tropicale et embarque l’instrument, ScaRaB, développé au LMD. Il s’agit de l’unique instrument de recherche en observation de la Terre actuellement en activité réalisé dans un laboratoire français. ScaRaB a été embarqué sur Megha-Tropiques et sur deux autres satellites russes, il peut mesurer avec une grande précision l’énergie entrant et sortant de l’atmosphère, à différentes longueur d’onde (photo 3).

La liste des missions spatiales auxquelles le LMD a contribué est longue. On retiendra le programme international IASI (Interféromètre atmosphérique de sondage dans l’infrarouge), incluant des satellites lancés en 2006 et 2012 et trois autres prévus, pour la météorologie opérationnelle et l’étude de la chimie atmosphérique et le climat.

Faisceau laser émis par le lidar IPRAL déployé par le LMD sur le site d’expérimentation SIRTA, infrastructure de l’IPSL pour l’étude des aérosols et des nuages.

Dans les années 80, sous l’impulsion de Pierre Flamant, le LMD développe des lidars, instrument de télédétection active par laser de l’atmosphère, notamment pour l’observation des aérosols et des nuages et la mesure du vent. Le LMD est un acteur clé de nombreux projets spatiaux intégrant cette technologie (projet franco-américain CALIPSO, projets européens ADM-AEOLUS et EarthCare). C’est sur la base de la technologie lidar que le LMD, avec le soutien de Claude Basdevant, développe en 1997 au sein de l’IPSL, le site d’expérimentation SIRTA, service d’observation dédié à la recherche sur les nuages et les aérosols (photo 4). Le site instrumenté est localisé sur le site de l’Ecole polytechnique. En 2009, le LMD se lance dans la conception de lidars pour la mesure de concentration des gaz à effet de serre (méthane, dioxyde de carbone). Il contribue au projet spatial ASCOPE soumis à l’ESA pour la mesure de la concentration en CO2 par lidar. A défaut d’avoir débouché sur une mission décidée, ce projet a servi de base pour la conception de MERLIN, première mission franco-allemande en cours de réalisation pour un lancement en 2021 qui mesurera à l’aide d’un lidar la concentration atmosphérique en méthane.

Enfin, depuis bientôt 20 ans le LMD contribue au programme européen COPERNICUS (anciennement GMES) pour la construction d’un système européen de service en matière de surveillance de la qualité de l’air d’une part et du climat d’autre part.

Le deuxième pilier du LMD, c’est la modélisation numérique, initiée dès 1965 par le développement d’un modèle de circulation générale en prévision du projet EOLE dont une première version voit le jour en 1984. Le développement du modèle de circulation générale du LMD 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. C’est lors d’un séminaire interne du LMD, tenu en la royale abbaye de Fontevaud en 1990, qu’est prise collectivement la décision de faire de ce code dynamique l’ossature du futur modèle de climat du LMD. À partir de 1995, le modèle du LMD, baptisé LMDZ, commence à être utilisé pour des études climatiques (photo 5). Depuis, il n’a de cesse d’évoluer. LMDZ est 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 criosphère. 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.

Néanmoins, si LMDZ est au cœur de l’étude du climat terrestre, ses premières applications sont martiennes. Le modèle du LMD est 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 extra-solaires

Depuis 2009, le LMD consacre un effort important à la mise au point et la validation d’un nouveau coeur dynamique, baptisé DYNAMICO. Il exploite 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 a son origine dans les travaux théoriques de Robert Sadourny et il a bénéficié de façon cruciale de la clarification conceptuelle effectuée dans le travail d’extension de LMDZ aux atmosphères planétaires profondes (Saturne, Jupiter).

Maillage du modèle de circulation générale du LMD, LMDZ.

La modélisation au LMD, c’est également le code de chimie-transport, baptisé CHIMERE. En 1996, le LMD en initie son développement suite aux différentes lois et directives Européennes comme la Convention sur la Pollution Transfrontalière, la loi sur l’air de 1996 en France, qui définissent dès lors défini un cadrage pour l’étude et la régulation de la qualité de l’air. La nécessité de développer des outils numériques afin de mieux comprendre les processus physico-chimiques à l’origine de pollution atmosphérique, mais aussi de prévoir les pics de polluants quelques jours avant tout en identifiant clairement les causes afin de les limiter lorsque cela est possible, motivent ce développement et qui perdure depuis, en collaboration avec le LISA et l’INERIS.

En un demi-siècle, le LMD, soutenu par ses tutelles prestigieuses, est devenu un laboratoire de premier plan au niveau international, attirant étudiantes, étudiants, chercheurs et chercheuses du monde entier. Il constitue un pilier de la modélisation de l’atmosphère en France, compte dans ses rangs de nombreux contributeurs des rapports du GIEC, a coordonné des campagnes de mesures originales et a contribué à de nombreuses autres campagnes et missions spatiales. Si le laboratoire a beaucoup évolué depuis sa création, élargissant ses thématiques, renouvelant ses outils, multipliant les interactions et collaborations avec d’autres disciplines, il est demeuré fidèle à la vision, toujours féconde (ou toujours pertinente) de ses pères fondateurs.

Les directeurs successifs du LMD