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Dynamisme général de l'atmosphère

Introduction

L'atmosphère ne reçoit pas partout la même quantité d'énergie. Cette différence provoque des déplacements d'air selon le principe fondamental que l'air chaud a tendance à monter en altitude car elle est moins dense (plus légère) que l'air froid. La différence de température dans l'air est une des clés de tout mouvement dans l'atmosphère.

Mais, le mouvement vertical de l'air est relativement mineur par rapport au mouvement horizontal et c'est ce dernier type de mouvement qui nous intéresse ici. Le mouvement horizontal de l'air est provoqué par des différences de pression. Imaginez une grande salle divisée en deux par un mur rétractable

D'un côté du mur, la salle est pleine à craquer. De l'autre, la salle est vide. Que se passe-t-il si on rétracte le mur '

Les gens voudront tout de suite aller du côté où il n'y a personne pour combler le vide. Le déplacement horizontal de l'air dans l'atmosphère joue le même jeu. L'air va des hautes pressions pour aller combler le vide relatif des basses pressions mais sa trajectoire ne sera pas celle d'une ligne droite.

Le dynamisme général de l'atmoshère désigne l'ensemble des déplacements de l'air dans l'atmosphère. Ces grandes tendances sont toutes sous l'influence d'une force apparente: la force de coriolis. C'est cette force qui est responsable de faire courber la trajectoire du déplacement de l'air.

La force de coriolis

Mise en évidence par Gaspard Coriolis mathématicien et physicien français (1792-1843). Elle est liée à la rotation d'un corps dans un référentiel inertiel, c'est à dire un référentiel isolé, n'étant en interaction avec aucune force ou dont l'ensemble des forces s'annulent (pseudo-isolé). Heu... La Terre correspond à cette définition : elle a un mouvement de rotation de période 24heures, et elle exécute une révolution annuell autour du Soleile. En simplifiant, on peut dire que la Terre est un référentiel inertiel pseudo-isolé. Voilà l'explication pour les passionnés.

Quelques effets de la force de Coriolis

Lorsque de l'eau d'un lavabo s'écoule par le drain, l'eau a tendance à former un tourbillon. Le même phénomène se produit dans le bain et la toilette. C'est l'effet de la force de coriolis. (voir note 1 en bas de page)
À une échelle plus grande, les avions ont tendance à dévier de leur trajectoire vers la droite et doivent corriger leur direction constamment. Les trains en direction nord-sud ont une légère tendance à "sortir" de leur rail vers la droite. Dans la nature, la force de coriolis a pour effet d'accentuer l'érosion des cours d'eau sur le côté droit. Ce phénomène est d'autant plus vrai sur de très grands fleuves (sur les petites rivières, celui-ci est négligeable).
L'atmosphère étant un fluide tout comme l'eau, il est soumis au même phénomène.

( Gaspard Coriolis : mathématicien et physicien français (1792-1843) )

Explication de la force de coriolis

La force de Coriolis est une loi de la cinématique, dont l'énoncé est relativement simple : toute particule en mouvement dans l'hémisphère nord est déviée vers sa droite (vers sa gauche, dans l'hémisphère sud).

Description du phénomène

La Terre tourne autour d'un axe nord-sud. Etant donnée la forme sphérique du globe terrestre, la vitesse linéaire d'un point de sa surface n'est pas constante et dépend de la latitude de ce point : elle augmente en partant d'un pôle, passe par un maximum à l'équateur, puis décroît jusqu'à l'autre pôle :

Donc, si un mobile descend du pôle nord à l'équateur, il va être confronté à la vitesse de déplacement de la Terre de manière croissante . En poursuivant sa route vers le pôle sud, il va à nouveau voir décroître cette vitesse.

atmosphere-L'image tente d'illustrer le phénomène mais avec un projectile.

Imaginez que vous êtes dans un hélicoptère au pôle Nord, exactement sur l'axe de rotation de la terre. Vous lancez un projectile à partir de votre hélicoptère dans le but d'atteindre une cible à l'équateur. Les chances que vous atteignez votre cible sont nulles. En effet, le temps que votre projectile se rende, la terre aura tournée et vous fera manquer votre cible.

Tout se passe comme si un marcheur partait du centre d'un manège pour rejoindre la périphérie, il va se sentir dévié dans le sens opposé au défilement du manège sous ses pas.

Le sens de la déviation de Coriolis ne dépend pas du sens de déplacement du mobile sur laquelle elle s'exerce, mais uniquement du sens de rotation du support qui lui donne naissance.

Action de la force de Coriolis

En fait, cette force est négligeable dans la plupart des cas, mais devient très importante dans certains phénomènes, dont fait partie le déplacement des masses d'air : le vent météorologique (en raison de la réunion des facteurs d'influence de la force de Coriolis : faible masse des particules, grande échelle de mouvement).
De plus, on le comprend aisément en se référant à l'exemple ci-dessus, plus le déplacement est rapide, plus la déviation de Coriolis engendrée est importante.
Enfin, pour qu'il y ait une force de Coriolis il faut qu'il y ait changement de vitesse du support lors du déplacement sur celui-ci.

La force de Coriolis influence-t-elle beaucoup le climat '

La force de Coriolis est très importante pour définir les climats, car la Terre est une sphère en rotation. Il y a donc des forces, que l'on appelle des forces inertielles, comme la force centrifuge, qui interviennent sur le déplacement des masses d'air et donc sur les climats.
Si l'on imagine une particule ou une masse d'air à l'équateur, celle-ci aura une certaine vitesse du fait de la rotation de la Terre. Une particule située à plus haute latitude aura une vitesse, associée à la rotation de la terre, qui sera plus lente, car la particule est dans ce cas plus proche de l'axe de la Terre.
La force de Coriolis est due à la conservation d'une quantité particulière, appelée moment cinétique. On peut comprendre facilement ce phénomène lorsque l'on considère la rotation d'une personne sur un tabouret qui commence à tourner avec les bras écartés et qui ferme ses bras. On voit bien alors que sa vitesse va changer du fait qu'il y a une certaine distribution de masse qui est changée.

Cellules de Hadley (cellules convectives)

Donc, la force de coriolis influence le mouvement de tout objet sur la terre. En météorologie, l'air qui se déplace dans l'atmosphère est donc sousmis à cette force "invisible". Mais qu'est-ce qui engendre le déplacement de l'air au départ'
L'air se déplace, nous l'avons vu, pour combler les vides et ainsi provoquer le vent. L'air se déplace aussi s'il est chauffé de façon inégale. De manière générale, l'air se déplace autour du globe en suivant certains chemins bien définis.

Principe de base

Cette description du mouvement général de l'air en atmosphère est très simpliste. Ce mouvement de va et vient entre l'équateur et le pôle forme une immense cellule que l'on appelle convective. La figure suivante illustre le modèle simpliste.

Tout d'abord, oublions que la terre tourne. On a vu que la température de l'atmosphère à l'équateur était plus élevée que celle aux pôles. Cette différence de température provoque des mouvements de l'air.

  • À l'équateur, l'air qui est chauffée par le soleil prend de l'altitude (il s'agit d'un courant d'air vertical).
  • L'air en remontant en altitude prend aussi la direction du pôle Nord pour se refroidir.
  • En se refroidissant, l'air reprend la direction du sol, car il est plus lourd, au fur et à mesure qu'il se rapproche du pôle.
  • Comme l'air ne peut s'accumuler de façon infinie, l'air au pôle emprunte la direction de l'équateur.
  • En allant vers l'équateur, l'air se réchauffe et recommence à reprendre de l'altitude puis à retourner vers le pôle et la boucle continue sans fin.

Le modèle réel des cellulles convectives

En réalité, l'air n'a pas le temps de se rendre au pôle pour se refroidir.
Vers la trentième latitude nord, l'air déjà refroidi redescend vers le sol. De là, l'air reprend son mouvement vers l'équateur pour se réchauffer. En se réchauffant, l'air remonte et ainsi de suite. Ce cycle décrit une plus petite cellule que celle présentée à la figure précédente.
Cette cellule porte le nom de Hadley. Ce scientifique est le premier à avoir proposé une théorie qui décrivait déjà en 1735 le mouvement général de l'atmosphère.


atmospher-4Un mouvement similaire à la cellule convective de Hadley se produit sur les pôles.

L'air des pôles a tendance à redescendre vers l'équateur pour être réchauffé. Au fur et à mesure que l'air quitte le pôle, elle aura tendance à prendre de l'altitude étant donné son réchauffement. L'air en altitude devenant de trop et se refroidissant doit laisser sa place en remontant vers le pôle. La figure suivante montre que la cellule polaire s'étend aux environs de la soixantième latitude.

Une troisième cellule a été ajoutée par l'américain Ferrel. Cette cellule à circulation inversée se situe entre la trentième et soixantième latitude.

Maintenant que nous avons une idée des mouvements généraux de l'air dans l'atmosphère, ajoutons la rotation de la terre.

Si on généralise la force de coriolis et on l'applique au déplacement de l'air dans l'atmosphère, tout déplacement sera dévié sur sa droite dans l'hémisphère nord et sur sa gauche dans l'hémisphère sud

  • Les vents dominants au sol.

atmospher-5

  • Les vents dominants en altitude.

atmospher-6

La circulation de Hadley, ainsi que la force de Coriolis, dévient les vents qui reviennent vers l'équateur vers l'ouest (alizés de nord-est dans l'hémisphère Nord et de sud-est dans l'hémisphère Sud). Il existe une deuxième cellule dans laquelle les mouvements sont descendants, vers 30°N et 30°S (cellule de Ferrel), on y observe des vents dominants d'ouest. Au niveau des calottes polaires, on observe au contraire des vents dominants d'est. Il y a donc une circulation opposée des vents dans les deux cellules (Ferrel et Hadley).

Note 1 : force de Coriolis et Lavabo : cet exemple n'est qu'une illustration virtuelle, en fait, la force de Coriolis est bien souvent trop faible pour déterminer le sens de rotation de l'eau dans un lavabo
Pour en savoir plus : http://www.ens-lyon.fr/Planet-Terre/Infosciences/