Les mouvements de l'atmosphère

Les mouvements de l'atmosphère

  1. L'atmosphère, un fluide en mouvement
  2. La zone de convergence intertropicale
  3. Voir l'effet de Coriolis
  4. Le role de la "force" de Coriolis sur le déplacement des masses d'air
  5. Quelques réflexions sur la force de Coriolis

L'atmosphère, un fluide en mouvement

mouv_atm_04.jpgL'atmosphère est cette mince enveloppe gazeuse qui entoure notre planète ; elle n'est pas du tout immobile par rapport à la Terre ; elle est au contraire animée en permanence de mouvements divers.

Ces mouvements de l'atmosphère présentent des caractéristiques extrêmement variables :
- parfois, c'est une agréable brise qui vient nous rafraîchir, par un bel après-midi d'été, quand nous sommes en bord de mer ;
- parfois, ce sont des vents violents qui balaient une grande partie de la France en s'enroulant autour d'une vaste zone de basses pressions ; de temps en temps ces vents sont si violents qu'ils peuvent déraciner les arbres et faire s'envoler les toits ;
- et, parfois, ces mouvements de l'atmosphère se présentent sous la forme d'ascendances rapides, avec des vitesses verticales de l'ordre de 10 m/s ; ces ascendances sont localisées, se produisant sur une surface horizontale peu étendue, de l'ordre du kilomètre carré, et elles peuvent donner naissance à un nuage d'orage, le célèbre cumulonimbus.

Même si cette liste est très loin d'être complète, elle permet d'illustrer la grande diversité des mouvements atmosphériques.

Mais pourquoi ces mouvements ?
Pourquoi l'atmosphère n'est-elle pas tranquillement immobile ?

Les mouvements de l'atmosphère : une réponse au « chauffage différentiel »

Notions de base sur le rayonnement
Avant d'expliquer ce qu'est le chauffage différentiel, il nous faut d'abord présenter quelques notions de base sur le rayonnement. Et d'abord, définir de quoi il s'agit.

Le rayonnement est un processus qui permet un transport d'énergie sans aucun support matériel (dans le vide, donc). Il consiste en un ensemble d'ondes électromagnétiques qui se propagent dans le vide, et à des degrés divers dans la matière, cette dernière modifiant parfois beaucoup leurs caractéristiques.

Le Soleil émet des ondes électromagnétiques…
Le système Terre-atmosphère reçoit de l'énergie du Soleil sous forme d'ondes électromagnétiques. Environ 30 % de l'énergie qui arrive au sommet de l'atmosphère est réfléchie et repart vers l'espace. Le reste de l'énergie est absorbé par le système Terre-atmosphère, l'absorption désignant ce processus physique par lequel l'énergie du rayonnement est convertie en chaleur.


Mais toutes les régions du monde n'absorbent pas la même quantité d'énergie solaire ! La figure ci-dessus (source SCARAB-CNRS/LMD) montre la puissance absorbée en moyenne annuelle ; on voit de grandes variations méridiennes avec un maximum dans les régions tropicales du fait de l'inclinaison des rayons solaires.

La Terre et l'atmosphère émettent aussi !
Eh oui, la Terre et l'atmosphère émettent, elles aussi, vers l'espace des ondes électromagnétiques, ce qui correspond pour elles à une perte d'énergie.

Que la Terre et l'atmosphère émettent des ondes électromagnétiques peut surprendre, car ces ondes ne sont pas perçues par nos sens ; ces ondes sont des infrarouges, que l'on ne peut pas voir !
Signalons à ce propos que vous aussi, cher lecteur, vous émettez des ondes électromagnétiques infrarouges. Vous êtes, au sens propre, rayonnant !

- En résumé, le système Terre-atmosphère reçoit de l'énergie (du Soleil) et en perd, sous forme de rayonnement électromagnétique infrarouge qui s'échappe vers l'espace.
 
Le chauffage différentiel pôles/équateur
La figure ci-dessous (d'après Gill, 1982) montre la quantité d'énergie ainsi reçue, ou perdue, par le système Terre-atmosphère, en fonction de la latitude. Dans ce bilan, on ne distingue pas les surfaces continentales, les océans et l'atmosphère : c'est un bilan global qui est illustré sur le graphique.

Courbe rouge : rayonnement solaire moyen arrivant au sommet de l'atmosphère par cercle de latitude
Courbe bleue : rayonnement solaire effectivement absorbé par le système Terre-atmosphère (gain d'énergie)
Courbe verte : rayonnement moyen émis vers l'espace par le système Terre-atmosphère (perte d'énergie)


On voit sur ce graphique qu'en moyenne annuelle, les régions polaires sont déficitaires : elles perdent plus d'énergie qu'elles n'en reçoivent, puisque la courbe verte est au-dessus de la courbe bleue.
Les régions équatoriales et tropicales sont par contre excédentaires : elles gagnent plus d'énergie par rayonnement qu'elles n'en perdent.
C'est ce contraste (pôles déficitaires, tropiques excédentaires) que l'on appelle le chauffage différentiel pôles/équateur.

Aucune région ne se réchauffe ni ne se refroidit perpétuellement, c'est grâce au transport de l'excédent d'énergie des régions tropicales vers les plus hautes latitudes.
Sans ce flux d'énergie des tropiques vers les pôles, on aurait aux pôles des températures beaucoup plus froides, et dans les régions tropicales des températures beaucoup plus chaudes, que celles effectivement rencontrées.

Ce transport d'énergie des tropiques vers les plus hautes latitudes est assuré par les mouvements des deux systèmes fluides que l'on rencontre sur Terre : l'océan et l'atmosphère.

Le chauffage différentiel sol/altitude
Quand on considère le bilan moyen (moyenné sur toute la Terre) d'énergie reçue ou perdue par rayonnement au niveau de la surface terrestre, on s'aperçoit que ce bilan est excédentaire : la surface terrestre reçoit en moyenne par rayonnement plus d'énergie qu'elle n'en perd.
Ce bilan moyen est en revanche déficitaire dans l'atmosphère à quelques kilomètres d'altitude.
Des mouvements verticaux transportent l'énergie du sol vers l'altitude : sans ces mouvements verticaux au sein de l'atmosphère, la température moyenne au sol serait intenable, d'environ 40 °C supérieure à celle effectivement rencontrée !

Comment les mouvements atmosphériques transportent l'énergie de l'équateur vers les pôles
Les cellules de Hadley : de l'équateur jusqu'à 30°
Le transport d'énergie de l'équateur vers les pôles est amorcé par deux cellules, appelées cellules de Hadley, d'après le nom du savant George Hadley.

 

Celui-ci avait imaginé, en 1735, une circulation en forme de boucle (une boucle dans chaque hémisphère), avec des ascendances à l'équateur et des mouvements descendants aux pôles, illustrée ci-contre.

 

 

 

En fait, Hadley s'est trompé, et si les cellules qui portent son nom existent en effet, elles ne se prolongent pas jusqu'aux pôles mais s'interrompent vers 30° de latitude, comme illustré ci-contre.

La cause de cette interruption des cellules vers 30° est une force bien connue des météorologistes : la force de Coriolis, liée à la rotation de la Terre sur elle-même. On peut montrer que cette force dévie les trajectoires, vers leur droite dans l'hémisphère Nord et vers leur gauche dans l'hémisphère Sud. Cet effet n'est pas perceptible pour des mouvements à petite échelle : je n'ai pas besoin de m'en préoccuper quand je lance une balle, par exemple. Il est au contraire crucial pour des mouvements de grande échelle, comme le mouvement vers le pôle d'une particule d'air atmosphérique prise dans une cellule de Hadley.

Le mouvement vers le pôle des particules d'air est dévié par la force de Coriolis, jusqu'à produire des vents quasi zonaux, c'est-à-dire orientés le long d'un parallèle, soufflant en altitude d'ouest en est.
Les cellules de Hadley transportent donc de l'énergie de l'équateur jusqu'à 30° de latitude environ, mais ne peuvent se prolonger au-delà.

Signalons que le transport d'énergie de l'équateur vers 30° se fait sous forme d'un transport d'énergie potentielle de gravité : des particules d'air en altitude, et possédant donc beaucoup d'énergie potentielle, se dirigent de l'équateur vers les tropiques ; les particules d'air se dirigeant vers l'équateur se trouvent, elles, près du sol et ont donc une faible énergie potentielle.

Et au-delà de 30° ?
Ce sont les perturbations des moyennes latitudes qui prennent le relai des cellules de Hadley et permettent de transporter l'énergie vers les pôles.

Les perturbations, ce sont ces vastes enroulements nuageux autour d'une dépression, avec des vents tournant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre autour de la dépression dans l'hémisphère Nord (dans le sens des aiguilles d'une montre dans l'hémisphère Sud).

Ces perturbations nous sont familières, et nous n'aimons guère les voir annoncer au cours du bulletin météo car elles riment avec nuages, pluie et vent. Et pourtant elles nous sont très utiles : elles permettent, à travers les mouvements méridiens (mouvement du nord vers le sud, ou du sud vers le nord)  qu'elles génèrent, à l'air chaud et humide de migrer vers les pôles, et à l'air froid et sec de descendre en direction des tropiques, réduisant le contraste de température entre ces régions du globe.

Comment les mouvements atmosphériques transportent l'énergie de la surface terrestre vers l'atmosphère ?
On a vu qu'en moyenne, la surface terrestre reçoit plus d'énergie par rayonnement qu'elle n'en perd ; dans l'atmosphère, c'est l'inverse.

Heureusement pour nous, l'excédent d'énergie au sol est efficacement transporté vers l'altitude (où justement on manque d'énergie !) par les mouvements de l'atmosphère, en particulier par la convection. Cela nous évite des températures insupportablement chaudes au sol !

La convection, c'est l'apparition de mouvements verticaux intenses et localisés, qui se produisent quand les basses couches sont suffisamment chaudes, et se traduisent par des nuages en forme de chou-fleur : les cumulus ou les cumulonimbus, comme ceux que l'on voit sur la photo ci-dessous.

Ces mouvements verticaux permettent de transporter l'énergie du sol vers l'altitude. Pour comprendre comment, il faut se rappeler que les changements d'état de l'eau absorbent ou libèrent de très grandes quantités d'énergie, appelée chaleur latente.

L'évaporation, qui se produit au-dessus des océans et des mers, consomme de la chaleur latente : c'est donc de l'énergie qui est prélevée près du sol. Lorsqu'une particule d'air atmosphérique s'élève et qu'en altitude une partie de sa vapeur d'eau se condense en eau liquide ou solide, cette chaleur latente est libérée, c'est-à-dire restituée à l'atmosphère en altitude.
Les nuages convectifs assurent ainsi un transport d'énergie du sol vers l'altitude.

En zone tropicale, les cyclones assurent ce même rôle de transport d'énergie, de la surface de notre planète (au-dessus d'un océan chaud, ayant stocké beaucoup de chaleur) vers l'altitude.


Cyclone Dina, 22 janvier 2002.
Image infrarouge colorée. Source : Météo-France

Conclusion
La description des mouvements atmosphériques présentée dans ce petit texte n'est pas exhaustive. Il manque en particulier la description de l'influence sur le vent de la surface terrestre : les montagnes, les vallées, les îles, les zones côtières… exercent une influence sur l'écoulement de l'air. Il n'était guère possible en un texte de quelques pages de décrire sans rien omettre le foisonnement de mouvements qui agitent l'atmosphère.

Ce qu'il faut retenir, c'est que les mouvements atmosphériques, pour désagréables qu'ils puissent être parfois (tempêtes aux moyennes latitudes, cyclones tropicaux, orages…), nous assurent des conditions de vie sur Terre globalement agréables : ils permettent de transporter l'énergie des régions où l'on en a trop vers les régions où l'on en manque, et donc de réduire les contrastes de température entre les pôles et l'équateur, et entre le sol et l'altitude.

C'est grâce à ces mouvements que les températures ne sont jamais vraiment intolérablement froides ou chaudes.

Donc, cher lecteur, si d'aventure vous êtes trempé par une violente averse, souriez ! C'est pour votre bien…