La physique quantique peut expliquer la météo sur Terre

En traitant la Terre comme un isolant topologique – un état de matière quantique – les physiciens ont trouvé une explication puissante aux mouvements de torsion de l'air et des mers de la planète.

Même si une grande partie de l'air et des mers de notre planète sont agités au gré d'une tempête, certaines caractéristiques sont bien plus régulières. À l’équateur, des vagues de mille kilomètres de long persistent au milieu du chaos.

Tant dans l’océan que dans l’atmosphère, ces vagues gargantuesques, appelées vagues de Kelvin, se déplacent toujours vers l’est. Et ils alimentent des phénomènes météorologiques oscillants tels qu’El Niño, un réchauffement périodique des températures des océans qui revient toutes les quelques années.

Les géophysiciens s'appuient sur une explication mathématique des ondes Kelvin équatoriales depuis les années 1960, mais pour certains, cette explication n'était pas entièrement satisfaisante. Ces scientifiques voulaient une explication physique plus intuitive de l’existence des vagues ; ils voulaient comprendre le phénomène en termes de principes de base et répondre à des questions telles que : quelle est la particularité de l'équateur qui permet à une onde Kelvin d'y circuler ? Et « pourquoi diable voyage-t-il toujours vers l’est ? a déclaré Joseph Biello, mathématicien appliqué à l'Université de Californie à Davis.

En 2017, un trio de physiciens a appliqué un type de réflexion différent au problème. Ils ont commencé par imaginer notre planète comme un système quantique, et ont fini par établir un lien improbable entre la météorologie et la physique quantique. Il s’avère que la rotation de la Terre dévie le flux de fluides d’une manière analogue à la façon dont les champs magnétiques tordent les trajectoires des électrons se déplaçant à travers des matériaux quantiques appelés isolants topologiques. Si vous imaginez la planète comme un isolant topologique géant, disaient-ils, vous pouvez expliquer l'origine des ondes Kelvin équatoriales.

Mais même si la théorie fonctionnait, elle n’était encore que théorique. Personne ne l’avait vérifié directement par observation. Aujourd’hui, dans une nouvelle prépublication, une équipe de scientifiques décrit la mesure directe des ondes atmosphériques tordues – le type exact de preuves nécessaires pour renforcer la théorie topologique. Ces travaux ont déjà aidé les scientifiques à utiliser le langage de la topologie pour décrire d’autres systèmes, et pourraient conduire à de nouvelles connaissances sur les vagues et les conditions météorologiques sur Terre.

"Il s'agit d'une confirmation directe de ces idées topologiques, glanées à partir d'observations réelles", a déclaré Brad Marston, physicien à l'Université Brown et auteur du nouvel article. "Nous vivons en réalité à l'intérieur d'un isolant topologique."

Geoffrey Vallis, mathématicien appliqué à l'Université d'Exeter au Royaume-Uni qui n'a pas participé aux travaux, a déclaré que ce nouveau résultat constitue une avancée significative qui fournira une « compréhension fondamentale » des systèmes fluides de la Terre.

Il y a deux manières de commencer cette histoire. Le premier concerne l’eau et commence avec William Thomson, également connu sous le nom de Lord Kelvin. En 1879, il constate que les marées dans la Manche sont plus fortes le long des côtes françaises que du côté anglais. Thomson s'est rendu compte que cette observation pouvait s'expliquer par la rotation de la Terre. Lorsque la planète tourne, elle génère une force, appelée force de Coriolis, qui fait tourbillonner les fluides de chaque hémisphère dans des directions différentes : dans le sens des aiguilles d’une montre au nord, dans le sens inverse des aiguilles d’une montre au sud. Ce phénomène pousse l'eau de la Manche contre le littoral français, obligeant les vagues à s'écouler le long de ses côtes. Désormais connues sous le nom d'ondes côtières de Kelvin, ces ondes ont depuis été observées partout dans le monde, circulant dans le sens des aiguilles d'une montre autour des masses continentales (avec le littoral du côté droit de la vague) dans l'hémisphère nord et dans le sens inverse des aiguilles d'une montre dans l'hémisphère sud.

Mais il faudra près d’un siècle avant que les scientifiques découvrent les ondulations équatoriales beaucoup plus importantes et les relient aux ondes côtières de Kelvin.

Cela s'est produit en 1966, lorsque Taroh Matsuno, météorologue, modélisait mathématiquement le comportement des fluides – air et eau – près de l'équateur terrestre. Avec ses calculs, Matsuno a montré que des ondes de Kelvin devraient également exister à l'équateur. Dans la mer, au lieu de se heurter à un littoral, ils entreraient en collision avec l’eau de l’hémisphère opposé, qui tournait dans la direction opposée. Selon les mathématiques de Matsuno, les vagues équatoriales qui en résulteraient devraient s'écouler vers l'est et devraient être énormes – des milliers de kilomètres de long.