INVENTION DES INSTRUMENTS DE MESURE
La météorologie devient une science physique quand les premiers instruments de mesure sont découverts et mis au point. Ces découvertes, qui ont lieu pendant le XVII^e et le XVIII^e siècle, sont dues à la progression des connaissances des lois physiques élémentaires des gaz, des liquides et des solides.
On assiste alors en 1639 à l’invention du pluviomètre par Castelli.
En 1641, grâce aux principes établis par Galilée dès 1597, le premier thermomètre à liquide est mis au point par l’Academia del Cimento, fondée par le duc Ferdinand II de Toscane, vers 1650. Mais c’est l’échelle graduée permettant de repérer la température qui fait ensuite l’objet de nombreuses polémiques repoussant ainsi la date définitive de la découverte du thermomètre actuel. En effet, à l’époque, les savants ne connaissaient pas les valeurs des deux repères nécessaires à inscrire sur le support du thermomètre. Ils ignoraient que l’eau bout et se congèle à température constante. Finalement en 1694, un physicien de la ville de Padoue choisit, comme points fixes de la graduation, les températures de congélation et d’ébullition de l’eau. En 1730, Réaumur divise cette échelle en 80°, mais c’est finalement Celsius qui propose en 1742 l’échelle la plus utilisée aujourd’hui : l’échelle centigrade.
En 1643, Torricelli démontre que la pression atmosphérique, c’est-à-dire le poids de l’air au-dessus du sol, est équivalente à une colonne de 76 centimètres de mercure et invente le baromètre qui permet de la mesurer.
Ce n’est qu’au XVIII^e siècle que l’on parvient à mesurer le taux d’humidité, c’est-à-dire la quantité de vapeur d’eau contenue dans l’air ; les savants de l’Academia del Cimento à Florence sont les premiers à fabriquer un tel instrument de mesure appelé balances hygrométriques, mais ce n’est que vers 1780 que le premier véritable hygromètre est construit par Horace-Benédict de Saussure ; son principe repose sur une simple remarque : l’allongement d’une mèche de cheveu en air humide.
Enfin, les premiers anémomètres verront le jour en 1667 grâce à Hooke.

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THEORIES ET LOIS PHYSIQUES
Vinrent ensuite de nombreuses découvertes scientifiques sur l’effet de la rotation de la Terre sur les vents par John Hadley en 1735, la composition de l’air en oxygène et en azote par Lavoisier en 1777.
Aux environs de 1765, Lavoisier propose les premières règles pour prévoir le temps :

"La prédiction des changements qui doivent arriver au temps est un art qui a ses principes et ses règles, qui exige une grande expérience et l’attention d’un physicien très exercé. Les données nécessaires pour cet art sont : l’observation habituelle et journalière des variations de la hauteur du mercure dans le baromètre, la force et la direction des vents à différentes élévations, l’état hygrométrique de l’air. Avec toutes ces données, il est presque toujours possible de prévoir un jour ou deux à l’avance, avec une très grande probabilité, le temps qu’il doit faire."

Au tout début du XIX^e siècle, les lois sur les gaz parfaits, permettant de mieux comprendre la nature des phénomènes atmosphériques, sont établies : la loi de Laplace en 1783, celle de Dalton en 1801, de Gay-Lussac en 1802 et celle d’Avogadro en 1811.

Les savants, qui étudiaient le temps, ont très tôt compris la nécessité de composer et de coordonner leurs observations.
En 1625 (date à vérifier), une sorte de confrérie de savants, dirigée par l’abbé Marin Mersenne de Paris, se constitue, permettant un échange constant de connaissances. Cet échange se faisait par Mersenne lui-même qui écrivaient à tous les savants (français, italiens et anglais principalement) pour leur faire part des derniers travaux en cours.
Au fil des années, d’autres hommes vont s’inspirer de ce réseau pour fonder en 1662, la Société Royale de Londres et en 1666, l’Académie des Sciences de Paris. Ceux sont des revues, les "Philosophical Transactions" pour la première et les "Mémoires" pour la seconde, qui vont prendre le relais des correspondances individuelles et donner un nouvel essor à la science européenne.
Le mérite d’avoir tenté de créer un véritable réseau météorologique international revient à l’Italie et plus exactement à l’Academia del Cimento ; ce réseau est construit autour de sept villes en Italie et de quatre dans le reste de l’Europe. Mais l’église catholique est hostile à ces entreprises savantes et en 1667, ce réseau est dissout. Ainsi, l’essor probable qui en aurait résulté pour la météorologie est brisé pour longtemps.
Pendant que l’Académie des Sciences de Paris continue à publier les relevés de Vauban, Lavoisier ou encore de Louis Cotte dans les "Mémoires", un nouveau réseau, créé en Allemagne par un médecin, Johann Kanold, en 1717, se met en place ; la revue éditée par ce réseau s’appelle la "Brerlauer Sammlung". A Londres, comme à Paris, la Société Royale continue à regrouper les relevés quotidiens de par le monde dans sa revue, mais connaît un plus grand succès qu’à Paris. Malheureusement, la météorologie n’est qu’une discipline mineure parmi les multiples centres d’intérêt de ces sociétés.
Il faut alors attendre la fin du siècle des Lumières pour que s’ébauchent enfin des réseaux de grande envergure constitués autour de la Société Royale d’Agriculture (1761 à date ?) et de la Société Royal de Médecine (1776 à 1792) en France et de la Société météorologique du Palatinat en Allemagne (1780 à 1792).
Ainsi, en 1761 a lieu la création de la Société Royale d’Agriculture dont ses buts sont essentiellement pratiques ; elle publie, dans les "Mémoires", différentes informations sur la connaissance du temps pour l’agriculture et l’élevage. En 1776, on assiste à la fondation de la Société Royale de Médecine qui se compose de 206 stations d’observation météorologique ; cette société souhaite rompre l’isolement des médecins provinciaux et leur fournir rapidement des informations pratiques leur permettant d’enrayer les épidémies dès leur apparition. En 1780, la Société météorologique du Palatinat échange des informations avec toutes les autres académies en publiant ses résultats dans sa revue "les Ephémérides". Cette société est la première à utiliser un code météorologique synoptique universel. Mais le réseau disparaît à cause des guerres provoquées par la Révolution française et la dernière publication des "Ephémérides" a lieu en 1795.

Conscient de l’importance de telles entreprises, Lavoisier demande l’instauration d’un réseau d’observation dans le monde entier. Il est convaincu que la collecte des informations permettrait de prévoir le temps, 48 heures à l’avance. Mais, pour pouvoir réaliser un tel projet, il faut un moyen rapide pour transmettre et analyser ses différentes informations.
C’est en 1791 que le rêve de Lavoisier est exaucé ; en effet, Claude Chappe invente le télégraphe. Malheureusement, pour des fins policières et militaires, Napoléon I^er le confisque dès sa création et on retrouve l’état désastreux de 1760.
Ce n’est qu’en 1854, au cours de la guerre de Crimée, suite à de nombreux accidents maritimes dus aux tempêtes qui causent la perte du vaisseau Henri IV et de 38 navires de commerce, soit la mort de 400 marins, que le ministre de la Guerre, le maréchal Vaillant, demande à l’astronome Urbain Le Verrier d’en étudier les causes ; celui-ci met en évidence que cette même tempête avait frappé le nord-ouest de l’Europe, deux jours auparavant, avant d’atteindre, deux jours plus tard, le sud-est de l’Europe ; il démontre alors que la plupart des phénomènes météorologiques étaient des phénomènes migrateurs. Le gouvernement français décide donc de mettre en place un réseau de données météorologiques entre différents observatoires reliés par télégraphe : la météorologie moderne est née. Ce réseau compte 24 stations, mais les autres pays européens commencent, eux aussi, à s’organiser ; et, c’est ainsi, qu’en 1865, un réseau européen comportant 59 stations est établi, permettant un échange fiable d’observations. Ces informations mettent en évidence le rôle important de la pression atmosphérique : les variations du temps semblent bien dépendre de celles du baromètre, comme l’avait démontré, en 1860, un météorologiste hollandais, Buys Ballot. En effet, il était parvenu à expliquer précisément le mécanisme de cette relation : le vent se dirige toujours suivant les lignes isobares, c’est-à-dire les lignes d’égale pression. Les relevés barométriques permettent alors le tracé des premières cartes isobares permettant de connaître la direction et la vitesse du vent ; auparavant, les météorologues déterminaient l’emplacement des grands ensembles nuageux et pluvieux grâce aux échanges réguliers d’observations, ce qui leur permettait, enfin, de connaître le déplacement de ces perturbations et de prévoir le temps à venir. Mais cette méthode, appelée aussi méthode du "petit chemin de fer", bien que très simple à mettre en œuvre, révélera quelques imperfections dues à la non-prise en compte du relief.

L’observation météorologique à partir d’aéronefs prend son envol lorsque l’un des principes fondamentaux de la dynamique atmosphérique qui dit que "L’air chaud, plus léger que l’air froid qui l’entoure, s’élève en altitude" est énoncé. Ceci va donc permettre aux ballons et aux montgolfières de voler et les prévisions météorologiques vont enfin pouvoir tenir compte des phénomènes en altitude ; ainsi, le premier à utiliser ce moyen d’observation est Jacques Charles, en 1783, qui explore l’atmosphère jusqu'à 3400m d’altitude ; ses successeurs sont, en 1804, Gay-Lussac et Biot. Puis en 1899, trois ballons-sondes lancés par Teisserenc de Bort depuis la France atteignent 13000m et permettent d’identifier la stratosphère. Malheureusement, la récupération des sondes reste aléatoire et, c’est vers 1930 qu’un français, Robert Bureau, et un russe, Moltchanov, mettent au point un système radio permettant de recevoir les différents mesures effectuées pendant l’ascension du ballon. En 1918, l’aviation fait son apparition dans la météorologie et permet d’acquérir une connaissance de plus en plus précise et étendue des phénomènes atmosphériques.

En 1878, suite à la découverte de Le Verrier sur les phénomènes météorologiques migrateurs et à la nouvelle révolution technique dans les transmissions avec l’invention du télégraphe sans fil, puis des émetteurs - récepteurs radio, on assiste à la création du Bureau Central Météorologique (BCM) ; celui-ci, qui est rattaché à plusieurs observatoires dont les plus connus sont ceux du mont Ventoux et du mont Aigoual, collecte chaque jour des données avant de les centraliser puis de les diffuser aux agriculteurs et aux marins. Le Bureau joue alors un rôle moteur dans la prévision du temps avant de fermer définitivement ses portes en 1921. A la fin de la première guerre mondiale, l’Office National Météorologique (ONM) est créé ; celui-ci rassemble le BCM, le service météorologique militaire, le service météorologique maritime et le service météorologique agricole ; l’ONM est bien sûr au service des colonies, de la marine et de l’agriculture, mais aussi de l’aviation, des travaux publics, des particuliers et des entreprises en général. A partir de 1920, l’ONM utilise la radio pour diffuser, trois fois par jour, son bulletin météorologique depuis un émetteur placé sur la Tour Eiffel. En 1945, l’ONM disparaît pour laisser place à la Météorologie nationale ; la Météorologie nationale compte aujourd’hui 3500 employés, dont une bonne partie est formée au sein de l’Ecole nationale de la météorologie (ENM) de Toulouse fondée en 1948. En 1987, en remplacement de l’appellation de la Météorologie nationale, le logo Météo-France est créé. En parallèle, à l’échelle planétaire, l’Organisation de la Météorologie Internationale (OMI) est fondée en ... avant d’être remplacé par un organisme intergouvernemental, l’Organisation Mondiale de la Météorologie (OMM) qui existe encore de nos jours. Du fait que les nuages ne connaissent pas les frontières, cette organisation très utile a mis en place un grand programme de veille de la météorologie mondiale (VMM) qui consiste, comme les autres organisations, à rassembler de nombreuses observations effectuées sur toute la planète avant de les traiter et de communiquer ces renseignements à tous les pays membres de l’OMM.

Après l’utilisation de l’aviation dans la météorologie qui permettait de mieux connaître les phénomènes atmosphériques, les calculateurs puissants et les satellites à défilement ont fait leur apparition dans les années 50. Ces deux technologies permettaient de résoudre le problème de la prévision du temps et d’améliorer ainsi sensiblement les résultats. Malheureusement, les satellites à défilement ont l’inconvénient de ne pas pouvoir connaître l’état initial de l’atmosphère à un instant donné sur l’ensemble du globe. C’est donc, pendant les années 60, grâce à l’envoi de satellites météorologiques géostationnaires, c’est-à-dire immobiles par rapport à la Terre, que le problème précédent va être résolu.
Les résultats obtenus par ces différentes technologies seront ensuite introduites dans un simulateur numérique de prévision de l’évolution de l’atmosphère ; les données finales seront ensuite interprétées par un prévisionniste avant d’être communiquées au grand public ou envoyées aux professionnels tels que les ports, les aéroports, les agriculteurs, les producteurs d’énergie, ...