La recherche (en Océanographie)

• Pour qui?• Pourquoi?

• Sur quoi? Quelles questions?• Comment y répondre?

Diderot, 1753

• « Nous avons trois moyens principaux; l’observation de la nature, la réflexion et l'expérience. L’observation recueille les faits, la réflexion les combine, l'expérience vérifie le résultat de la combinaison. »

• « Recueillir et lier les faits sont deux occupations bien pénibles; aussi les Philosophes les ont ils partagés entre eux. »

Pensées sur l'interprétation de la Nature, 1753

• « Nous avons distingué deux sortes de philosophie, l'expérimentale et la rationnelle. L’une a les yeux bandés, marche toujours en tâtonnant, saisit tout ce qui lui tombe sous les mains et rencontre à la fin des choses précieuses. L’autre recueille ces choses précieuses et tache de s’en former un flambeau: mais ce flambeau prétendu lui a jusqu’à présent moins servi que le tâtonnement à sa rivale… »

• « Elle dit hardiment, on ne peut décomposer la lumière: la philosophie expérimentale l'écoute et se tait devant elle pendant des siècles; puis tout à coup elle montre le prisme et dit, la lumière se décompose. »

• « Les expériences doivent être répétées pour le détail des circonstances et la connaissance des limites. »

• « Toute expérience qui n'étend pas la loi à quelque cas nouveau ou qui ne la restreint pas par quelque exception, ne signifie rien. »

• « Si quelqu’un vous dit La science nous apprend que, il n’emploie pas le mot Science comme il faut. La science ne nous apprend rien: c’est l'expérience qui nous apprend quelque chose. »

• « Voila c’est ça la Science- cette découverte qu’il vaut mieux ne pas faire confiance à l'expérience passée de l'espèce et qu’il vaut mieux tout vérifier par soi même en faisant de nouvelles expériences. »

La nature de la Physique

Feynman, 1966

Toujours de Diderot, 1753:

« Il faut laisser l'expérience à sa liberté. C’est la tenir captive que de n’en montrer que le coté qui prouve et que d’en voiler le coté qui contredit »

« C’est l'inconvénient qu’il y a, non pas à avoir des idées, mais à s’en laisser aveugler, lorsqu’on tente une expérience. »

Le problème des lunettes théoriques:

oiseaux ou antilopes?

Copernic

Un simple changement de référentiel (Soleil au lieu de Terre) simplifie les trajectoires suivies par les planètes et ouvre la voie aux théories de Newton.

Modèle empirique de la trajectoire d’un ballon de foot

Point d’impact

Modèle théorique de la trajectoire

az = -g mais on a besoin de conditions initiales sur la vitesse à t=0:

€

z = −1/2g

vo2 cos2 α

x2 + tanα x

• La précision de la trajectoire demande beaucoup de précision sur la vitesse initiale

• L’interaction avec l’air mis en mouvement par le ballon s’effectue dans un régime turbulent à Reynolds 5 105 : on est juste un peu au delà de la valeur critique où la traînée chute fortement avec le Reynolds (apparition de CL turbulentes).

Sur la nature des erreurs

• L’importance des erreurs: essais/erreurs/essais/erreurs/essais/erreurs

• La grande différence entre les

erreurs sur les faits (les observations)

et les

erreurs sur les idées (la théorie)

Stommel, 1950’s

« Can oceanographic theories be tested? »

« Much of the thinking and theory of oceanography depends upon purely hypothetical physical processes… »

« A point of view in which attention is directed not towards a purely descriptive art, nor towards analytical refinements of idealized oceans but towards an understanding of the physical processes which control the hydrodynamics of oceanic circulation. »

Stommel, 1955

• Stage 1: recognize a phenomenon in a mass of observational detail

• Stage 2: produce a conceptual model of the phenomenon, susceptible to quantitative description

• Stage 3: bring in the apparatus of physical theory to discover the essential physical nature of the model

• Stage 4: set into motion the theoretical machinery to try to depict the detailed behavior of the model under the more or less complicated conditions of the real phenomenon

Types de questions

•Questions motivées par les observations: Pourquoi le flot observé a t’il cette allure?

•Questions motivées par des impératifs physique:Comment s’effectue le transport de chaleur dans l'océan?ou Quelle est la réponse de la circulation au vent?

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λ∇2ψ + β∂xψ = curl(τ)Gulf StreamStommel, 1948

Réponse de l'océan au ventEkman, Taylor 1905

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f k x u = −∂z < w'u'> /ρo

Courants profonds de bord OuestStommel-Arons, 1959

€

λ∇2ψ + β∂xψ = fw* /h

Trois théories qui assignent des causes aux observations

Mais trois théories au pouvoir prédictif faible qui ressemblent à la théorie du ballon de foot

• Where does the water come from?• Where does it go?• What happens along its path?

Schmitz-McCartney, 1993

Des questions d’ordre zéro

• La structure verticale de la circulation générale à la suite de la catastrophe de Gill:

-Thermocline ventilée-Homogénéisation de pv-Cas de l’ACC

et des ondes de surface vues par Topex-Poseidon

• Lien entre circulation thermohaline et mélange

Des questions ouvertes

Turbulence Océanique

• Un écoulement laminaire est exceptionnel (le flot du Pacifique Nord Est à 1000m)

• L'instabilité barocline est la cause dominante de production turbulente aux échelles telles que

Burger =(NH/fL)2 < O(1)

• Les cascades énergétiques vues dans les domaines périodiques sont elles relevantes?

• Approche statistique pour la circulation moyenne: observations type ARGO

• Jets équatoriaux?

Interactions Océan - Atmosphère

• Couplage par échanges de qdm, de chaleur et d’eau douce

• Atmosphère: oscillateur haute fréquence ( > 0.1 cpd)• Océan: oscillateur basse fréquence (< 0.01 cpd)

Quelques questions:

• Les causes de ENSO, NAO, AMO: Equilibres multiples ou oscillations?

• Signature du réchauffement global: La question de la stabilité de la THC est une question pour les observations pas pour les modèles numériques.

Modèles numériques

• Séduisant puisque les équations hydrodynamiques sont connues.

Mais la circulation océanique se trouve dans un régime inertiel et les échelles de dissipation ne sont pas accessibles

• Usage courant: le modèle est initialisé avec des observations et ensuite il dérive de son état initial… et donc de la réalité. On met des élastiques un peu partout pour l’en empêcher.

Ptolémée is back!

Modèles numériques

Ils vont jouer le rôle de l’expérience chez Diderot, Feynman ou Stommel:

(1) Tests des idées théoriques

(2) Tests des paramétrisations sous maille, (analyse des élastiques)

(3) Tests des processus dans des environnements plus riches (en dynamique et/ou complexités géographiques)

(4) Validation des versions dites réalistes sur les observations passées

Newton

His version of Occam’s razor : « We are to admit no more causes of natural things than such as are both true and sufficient to explain their appearances »

Watson, 2007

Knowing why is more important than learning what!