ENSM-SE / processus naturels /
terre_ronde
CHAPITRE 5
L’enveloppe
gazeuse de la Terre
le couple atmosphère –
hydrosphère
Circulation
de l'atmosphère
retour
La
circulation atmosphérique (et océanique) exprime le transfert convectif de
chaleur dans la machine Terre, depuis la source chaude équatoriale vers la
source froide polaire. Le premier à expliquer la constance des alizés et des
vents d'Ouest fut G. Hadley, 1735; pour
lui, la région équatoriale étant plus ensoleillée que les pôles, les vents
réguliers devaient transporter de la chaleur vers les pôles, et inversement du
froid vers l'équateur. Si la
Terre n'était pas en rotation, ce transfert serait effectué
par une seule cellule de convection. Mais la force de Coriolis défléchit les
vents, qui deviennent géostrophiques vers 30° de latitude (cf. § suivant) et se
sont finalement trois cellules qui prennent les calories en charge
(Fig. 26).
1 - Cellule de Hadley
A l'équateur, le fort ensoleillement entraîne une émission
importante d' IR terrestres (en milieu continental ou océanique), qui provoque
à son tour un abaissement de la densité de l'air (1.30 Kg /m3 à 20°c ; 1.22 Kg /m3 à 40°c). Les
variations de densité observées suffisent à engendrer des vitesses ascensionnelles
de l'ordre du m.s-1. Continuellement alimentée en air venu du Nord et du sud
cette région est dénommée Zone de
Convergence InterTropicale (ITCZ, Fig. ZZ §E.3.c). Le refroidissement
de l'air au cours de son ascension provoque sa condensation, et explique la
forte nébulosité et pluviosité de cette région aux grains violents mais sans
vent régulier, cauchemar des marins anglais («Doldrums») et dénommée Pot au
noir dans l'Atlantique par les marins français. La libération de la chaleur
latente liée à cette condensation augmente le contraste de température entre
cette colonne montante et son environnement, ce qui augmente sa vitesse
ascensionnelle (jusqu'à plusieurs m.s-1), et cet air initialement chaud et
humide s'élève ainsi rapidement jusqu'au sommet dilaté de la troposphère (17-18 km).L'air, refroidi et
asséché, redescend aux latitudes Nord et Sud-tropicales (20-30°); Cet air
descendant et froid constitue une zone
de hautes pressions (ceinture anticyclonique), région des calmes tropicaux
ou «horse latitudes» détestés eux aussi des marins encalminés qui, lorsque
l'eau douce venait à manquer, en arrivaient à jeter les chevaux à la mer. Très
sec, cet air descendant est aussi responsable des ceintures désertiques
tropicales que l'on rencontre tant au nord
qu'au sud. Entre ces deux zones sans vent, les alizés ferment cette
première boucle dénommée cellule de
Hadley.
2 - Force de Coriolis
A priori Nord-Sud (ou Sud-Nord,
selon l’hémisphère) les alizés sont en fait déviés vers l’Ouest. En effet, à la
surface de la Terre,
tout mouvement des masses fluides est influencé par la rotation de la Terre, ce phénomène est
appelé force de Coriolis F.
Supposons une masse au repos par rapport à la Terre, située en un point «quelconque» de
l'hémisphère Nord, de latitude φ
(Fig. 27).
La Terre tournant avec une vitesse angulaire ω
= 2π rad / 24h, la masse considérée est en fait animée
d'une vitesse longitudinale vL qui est la vitesse de rotation de la surface de la Terre (de rayon R), à la
latitude considérée,
on a
vL = 2ωR Cos φ
(1)
Si, à partir du temps t0, on déplace cette masse
m vers le nord (Fig. 27) dans le plan méridien du temps t0 sans
exercer de frottement, à la vitesse vm:
1 - elle
conserve la vitesse longitudinale vL de son point de départ;
2 - au
temps t = t0 +dt elle a
parcouru une distance longitudinale
L = VL.dt = 2ωR Cos φ.dt
et une distance
en latitude l = vm.dt;
3 - à
cette nouvelle latitude φ
dφ
la vitesse longitudinale VL'
de la surface terrestre, est
vL'
= 2ωR Cos φ dφ
VL’ est inférieure à VL la vitesse
longitudinale initiale; et donc la masse m paraît avoir été déviée de sa
trajectoire méridienne, vers l'Est dans l'hémisphère nord et vers l'Ouest dans
l'hémisphère sud (on parle de force cum sole).
Pour toute masse m, animée d'un vecteur vitesse non
méridien, la force de Coriolis s'appliquera sur sa composante méridienne ;
elle est généralement exprimée sous la forme d’un vecteur force normal au
déplacement,
F = mfvm Avec :
vm, vitesse du corps en
mouvement sur la surface de la
Terre en rotation;
f, paramètre de Coriolis = 2 ω Sin
φ
Par
les paramètres mis en jeux, on constate que pour que la déviation soit
significative, il faut pour une masse donnée que la vitesse vm soit
importante par rapport à VL (cas des fusées et satellites), ou bien
qu'une vitesse vm petite soit appliquée longtemps (de sorte que
Δφ
soit significatif). Il en résulte que la rotation directe du tourbillon dans
les baignoires de l'hémisphère nord (et inverse dans l'hémisphère sud) est une
aimable plaisanterie, les variations de latitude à cette échelle étant
négligeables par rapport aux paramètres locaux (vitesse et direction initiales
de l'eau, pentes du fond et formes de la baignoire).
Si
l'on s'intéresse à la variation de la vitesse longitudinale de la surface de la Terre avec la latitude, de
(1) on tire
dVL/dφ
= -2 ω R.Sin φ
La
variation de la vitesse longitudinale est donc nulle à l'équateur, et elle est
maximum au pôle. Ce n’est donc qu’à partir des latitudes moyennes que la force
de Coriolis jouera son rôle le plus important, tant sur les masses océaniques
que sur les masses d’air en mouvement.
3 - Cellule de Ferrel,
vents géostrophiques et Cellule polaire
Prenons
une masse d’air, son mouvement sera initié par un gradient de pression (FP
dans la Fig. 28a)
et le mouvement initial du vent sera perpendiculaire aux isobares. Dès que la
masse d'air est en mouvement, elle subit la force de Coriolis (FC)
qui la dévie vers la droite dans notre hémisphère, jusqu'à paralléliser le vent
avec les isobares, FP et FC pouvant être du même ordre de
grandeur sous nos latitudes. On appelle ces vents, vents géostrophiques. Les isobares étant des courbes fermées autour
des centres de haute et de basse pression, il en résulte dans notre hémisphère
(Fig. 28b-c) que la circulation des vents géostrophiques est directe (ils
tournent à droite) autour des hautes pressions, et inverse autour des basses
pressions. Les zones de basses pressions sont corrélativement des régions où
l'air présente une faible densité et s'élève (Fig. 28b), en tournant
autour du centre, définissant une circulation cyclonique convergente.
Inversement les zones de hautes pressions sont le centre d'une circulation
descendante et divergente dite anticyclonique. Le front polaire, limite entre
la cellule de convection polaire et la cellule des moyennes latitudes (cellule
de Ferrel) ondule entre les hautes pressions centrées vers le sud et les basses
pressions centrées plus au nord. Au pôle, l'air froid et sec très dense
constitue la branche descendante de la cellule polaire. Il détermine ainsi dans
notre hémisphère les vents froids de Nord-Est à Est qui descendent vers le
front polaire.
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