Lewis Fry Richardson

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Lewis Fry Richardson est un mathématicien, météorologiste et psychologue britannique (1881-1953). Au cours des années 1916-1918, il imagina de prévoir le temps à partir des équations primitives atmosphériques, les lois de la mécanique des fluides qui régissent les mouvements de l'air.

Enfance

Richardson est né le 11 octobre 1881^[1] à Newcastle-upon-Tyne, un port industriel du nord de l'Angleterre dans une famille de quakers. On l'envoya à l'école de Bootham, ayant cette affiliation, comme pensionnaire, et il y développa son goût pour la science et l'histoire naturelle. À 19 ans, il entra au King's College (Cambridge) où il obtint un baccalauréat en sciences naturelles. Il eut comme directeur Joseph John Thomson, Prix Nobel de physique, pour sa spécialisation en physique et mathématique.

Il entra au British National Physical Laboratory après ses études et enseigna au University College d'Aberystwyth (Pays de Galles)^[1]. Il travailla également pour l'industrie et enseigna plus tard au Manchester College of Technology. Durant les dix premières années après ses études, il développa des techniques mathématiques pour approximer la résolution analytique des équations différentielles complexes^[1]. Il les appliqua au problème de la résolution des équations de la physique de l'atmosphère en espérant en tirer une méthode pratique.

En 1913, Richardson déménagea au Eskdalemuir Observatory en Écosse et devint superintendant de l'observatoire de météorologie et de relevés magnétiques, une branche du Met Office. Il y continua ses recherches sur la prédiction du temps. En 1916^[1], en tant que quaker, opposé à prendre les armes, il fut enrôlé dans les corps des ambulanciers en France. Il profita alors de ses temps libres pour parfaire ses idées et les écrivit dans un manuscrit qu'il faillit perdre.

De retour en Angleterre en 1919^[1], Richardson retourna au Met Office à une station expérimentale près d'oxford où il travailla sur la turbulence de l'air. Ceci le mena à développer un critère pour qualitfier la turbulence qu'on nomme le nombre de Richardson. Quand le Met Office fut placé sous la direction du Ministère de l'Air, Richardson remit sa démission en raison de ses convictions quakers et se joignit au Westminster Training College comme directeur du département de physique.

Travaux sur la prévision météorologique

Vilhelm Bjerknes avait proposé dès 1904^[2] que l'atmosphère obéissait à un ensemble de variables qu'on pouvait relier sous forme d'équations qu'il pensait résolvables. Richardson essayait donc de montrer que le calcul permettait effectivement d'effectuer des prévisions météorologiques à une époque où les calculateurs électroniques n'existaient pas encore. Il publia sa méthode en 1922, à peine trois ans après que fut publiée la théorie des fronts météorologiques et de la cyclogénèse des latitudes moyennes par Vilhelm et Jacob Bjerknes. Richardson préconisait des techniques de calcul permettant de simplifier les équations et indiquait qu'il était nécessaire de partir d'une situation météorologique avec un nombre important de données terrestres et d'altitude sur l'ensemble du globe.

À l'aide de formulaires standardisés, pour accélérer le calcul en divisant le travail, il avait estimé que 64 000 personnes^[3] étaient nécessaires pour que la prévision soit émise en avance sur les événements. Richardson découpait le globe en une grille rectangulaire de 230 km (en latitude) sur 200 km (en longitude)^[3], ce qui donnait 3 200 colonnes verticales autour de la Terre. De plus, il divisait l'atmosphère en tranche à 4, 7 et 12 km d'altitude et il proposait des calculs par pas de temps de 3 heures^[3]. Cet immense système a été baptisé "l'usine à prévoir le temps".

Cependant, un petit essai de prévision d'évolution de la pression atmosphérique selon cette méthode, mais sans tout le personnel, donna un résultat très décevant: la variation calculée était de 145 hPa en 6 heures, une valeur tout à fait impossible quand on pense qu'une variation de 20 hPa est considérée comme une variation extrême pour ce même temps. En fait, la variation réelle a été presque nulle. L'erreur de Richardson a été de discrétiser les dérivées des équations primitives atmosphériques sans tenir compte de la variabilité expérimentale des données.

Ces dérivées impliquent des divisions de nombres qui sont très proches l'un de l'autre (ex. variation de la pression ou de la température avec le temps). Or la variation des variables météorologiques peut être de l'ordre de l'erreur de leur mesure et en plus, elle peut être instantanément grande sans pour autant durer. Il faut donc utiliser des valeurs lissées sur une certaine période pour obtenir des résultats réalistes^[4]. On sait maintenant que le pas de temps n'aurait pas dû excéder une demi-heure dans les calculs et que les données initiales, n'ayant pas subi de contrôle de qualité, introduisirent des instabilités de calcul. Richardson a cependant démontré l'idée que la prévision du temps par calcul était possible et les problèmes de logistique humaine et financière ont été résolus plus tard par l'avènement des ordinateurs.

Changement de cap

Il tenta de publier un premier livre, Mathematical Psychology of War, dont le sujet venait de ses profondes convictions pacifistes et qu'il dédiait à ses camarades ambulanciers de la guerre. Mais ne trouvant pas de maison d'édition prête à le faire, il dût le faire lui-même en 1919. L'usage possible de ses travaux pour des raisons militaires le fit abandonner ce domaine de recherche et il se tourna vers l'étude de la dynamique, des statistiques et sur les raisons de l'existence des guerres.

À partir de 1926, il commença à collecter le plus de données possible sur la cause des conflits armés allant de la Première Guerre mondiale aux guerres de pouvoirs des gangsters de Chicago. Il obtint un diplôme en psychologie à 48 ans, devint Principal du Paisley Technical College (maintenant Université de Paisley) en 1929 et commença ses recherches sur les conflits internationaux. Ceci devint son intérêt principal pour le reste de sa vie, même s'il continua à travailler occasionnellement au problème de turbulence.

Comme il fit pour la météorologie, il analysa ses données à l'aide d'équations différentielles et des probabilités en considérant l'armenent de deux nations et la longueur de leur frontière commune. Il mit en hypothèse que ces deux variables étaient directement proportionnelles et menaient aux frictions entre nations. Les solutions à son système d'équations est utilisable pour analyser le potentiel de conflits armés. Dans Arms and Insecurity (1949) et Statistics of Deadly Quarrels (1950), il tenta d'expliquer ses théories sur les causes statistiques des guerres.

Il est décédé en septembre 1953 à Argyll, Écosse.

Recherche sur les fractales

Mesure de la côte britannique

Dans le cours de ses recherches sur les conflits armés, Richardson devait calculer la longueur des frontières entre nations. Il se rendit compte que les données disponibles à ce sujet variaient grandement d'une source à l'autre. Il se mit donc à enquêter sur la cause de ces divergences: changement d'unité de mesure entre sources, méthode de mesure, etc. Il découvrit que plus l'unité minimale de mesure utilisée est petite, plus la frontière était longue ce qu'on a appelé l'Effet Richardson.

Par exemple, l'image de droite montre trois mesures de la côte de Grande-Bretagne avec des étalons de mesures de plus en plus fins qui donnent des longueurs différentes. Ceci ne veut cependant pas dire que la longueur de la côte devienne infinie si on utilise une unité de mesure infiniment petite, une impossibilité quantique. Cette recherche fut généralement ignorée par la communauté scientifique à l'époque mais reprise plus tard par Benoît Mandelbrot en 1967 dans son article How Long Is the Coast of Britain? (Quelle est la longueur de la côte britannique) sur l'étude des fractales.

Reconnaissance

Il a été fait Fellow de la Royal Society et secrétaire de la Royal Meteorological Society. Il est l'auteur de plus de 100 publications scientifiques et de nombreux ouvrages sur les conflits. Plusieurs instituts portent son nom comme le Richardson Institute for Peace Studies et le Conflict Resolution de l'Université de Lancaster^[1].

Notes

Bibliographie

• Lewis Fry Richardson, Weather Prediction by Numerical Process, 2^e édition révisée, éditeur Cambridge University Press (28 février 2007) ISBN 0-521-68044-1 ou ISBN 978-0-521-68044-8
• M. Ashford, Prophet - or professor? : the life and work of Lewis Fry Richardson,Bristol, 1985.
• M. Ashford, Collected papers of Lewis Fry Richardson, Cambridge, 1993.
• E. Gold, Lewis Fry Richardson, 1881-1953, Obituary Notices of the Royal Society of London, no 9 1954, pages 217 à 235.
• E. Gold, Lewis Fry Richardson, Dictionary of National Biography Supp (1951-60), Londres, 1971, pages 837 à 839.
• A. Rapoport, Lewis Fry Richardson, International Encyclopedia of Social Sciences, no 14, 1968, pages 513 à 517.
• A. Rapoport, Lewis F Richardson's mathematical theory of war, Journal of Conflict resolution, vol 1, no 2, 1957, pages 249 à 299.
• P. A. Sheppard, Dr L F Richardson, F.R.S., Nature, no 172, 1953, pages 1127 à 1128.
• J Todd, Obituary: L F Richardson (1881-1953), Math Tables and Other Aids to Computation, no 8, 1954, pages 242 à 245.

Voir aussi

Articles connexes

• Prévision numérique du temps
• École de météorologie de Bergen
• Extrapolation de Richardson
• Nombre de Richardson
• Médaille Lewis Fry Richardson

Liens externes

• Richardson (Lewis Fry), Glossaire, Météo-France. Consulté le 2006-12-28
• La simulation de l'atmosphère, Pédagogie, Météo-France. Consulté le 2006-12-28
• (en) Keith C. Heidorn, PhD, « L.F. Richardson: Building the forecast Factory », University of Paisley, 2004-12-01. Consulté le 2006-12-28
• Katia Chacinbault, « La prévision numérique météorologique », Risques hydro-météorologiques, crues et inondations, Laboratoire d'études des Transferts en Hydrologie et Environnement (LTHE). Consulté le 2011-04-23 [PDF]
• (en) Peter Lynch du Met Éiriann, « Richardson's forecast: What went wrong? (Une analyse du premier essai de prévision de Richardson) », National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), Juin 2004. Consulté le 2006-12-30

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