Circulation atmosphérique - Définition et Explications

Source: Wikipédia sous licence CC-BY-SA 3.0.
La liste des auteurs de cet article est disponible ici.

Introduction

Vue idéalisée des trois cellules ou zones de circulation atmosphérique

La circulation atmosphérique est le mouvement à l'échelle planétaire de la couche d'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...) entourant la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...) qui redistribue la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...) provenant du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...) en conjonction avec la circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles...) océanique. En effet, comme la Terre est un sphéroïde (Un sphéroïde ou ellipsoïde de rotation est une surface quadrique en 3 dimensions obtenue par...), la radiation (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se...) solaire incidente au sol varie entre un maximum aux régions faisant face directement au Soleil, situé selon les saisons plus ou moins loin de l'équateur, et un minimum à celles très inclinés par rapport à ce dernier proches des Pôles. La radiation réémise par le sol est liée à la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) reçue. Il s'ensuit un réchauffement différentiel (Un différentiel est un système mécanique qui a pour fonction de distribuer une vitesse de...) entre les deux régions. Le déséquilibre ainsi créé a pour conséquence la création d'ondes de pressions et de températures à tous les étages, qui sont, entre autres, à l'origine de la circulation atmosphérique (La circulation atmosphérique est le mouvement à l'échelle planétaire de la...).

Caractéristiques de la circulation selon la latitude

La circulation atmosphérique change continuellement mais le patron de base est relativement constant. Les dépressions des latitudes moyennes ou les cyclones tropicaux individuels se développent un peu partout selon une prédictibilité parfois proche de la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) du chaos mais l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) moyen du patron atmosphérique est stable.

On distingue trois zones de circulation des vents entre l'équateur et les Pôles. La première zone est celle de Hadley qui se situe entre l'équateur et 30 degrés N et S où l'on retrouve des vents réguliers soufflant du nord-est (Le nord-est est la direction à mi-chemin entre les points cardinaux nord et est. Le nord-est...) dans l'hémisphère nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.) et du sud-est (Le sud-est est la direction à mi-chemin entre les points cardinaux sud et est. Le sud-est est...) dans celui du sud : les alizés. Les navigateurs à voile ont depuis longtemps utilisés cette zone de vents réguliers pour traverser les océans. La seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui...) se situe aux latitudes moyennes et est caractérisée par des systèmes dépressionnaires transitoires sous une circulation d'altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau...) généralement d'ouest (L’ouest est un point cardinal, opposé à l'est. C'est la direction vers laquelle se...), c'est la cellule de Ferrel. Finalement, la cellule polaire se retrouve au nord et au sud (Le sud est un point cardinal, opposé au nord.) du 60ième parallèle avec une circulation de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) généralement d'est.

Entre ces trois zones, à une altitude variant entre 6 et 15 km, on retrouve les courant-jets circulant autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) de la planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de...) et qui sont un des précurseurs de la frontogénèse.

Cellules de Hadley

Mouvement vertical (Le vertical (rare), ou style vertical, est un style d’écriture musicale consistant en...) moyen en juillet à 500 hPa. L'air ascendant (valeurs négatives en bleu) est concentré près de l'équateur solaire et l'air descendant (positif en rouge) est plus éparpillé.

Le moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif...) de la circulation atmosphérique dans les tropiques est le réchauffement solaire. À cause de l'inclinaison (En mécanique céleste, l'inclinaison est un élément orbital d'un corps en orbite autour d'un...) de 23,5 degrés de l'axe de rotation de la Terre, le Soleil n'est jamais plus qu'à quelques degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines...) du zénith à midi tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) au long de l'année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié...) dans les tropiques ce qui donne un maximum de réchauffement autour de l'équateur géographique. Cette chaleur est transportée en grande partie dans l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) sous forme de relâchement de chaleur latente (L'enthalpie de changement d'état, molaire ou massique, correspond à la quantité de chaleur...) dans les orages tropicaux.

Edmond Halley (Edmond (ou Edmund) Halley (29 octobre 1656, Haggerston, borough de Hackney à Londres...), l'astronome (Un astronome est un scientifique spécialisé dans l'étude de l'astronomie.) célèbre, avait proposé une théorie pour expliquer la présence des alizés. Cependant, sa solution n'expliquait pas pourquoi les vents se dirigeaient vers l'ouest. George Hadley, avocat anglais et météorologue amateur, a proposé une variante en 1735 en décrivant une circulation fermée. Pour expliquer la direction vers l'ouest de la circulation de surface, il a tenu compte de la rotation de la Terre . En effet, une parcelle d'air se dirigeant vers le nord ou le sud, par rapport à un observateur au repos dans l'espace, semble se déplacer avec une composante ouest par rapport à un observateur terrestre parce que ce dernier se déplace vers l'est. Gaspard-Gustave Coriolis (Gaspard-Gustave Coriolis (né le 21 mai 1792 à Paris - mort le 19 septembre 1843 à Paris)...) reprendra cette idée un siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui...) plus tard dans sa description des mouvements dans un repère en rotation.

Le mécanisme de formation des cellules de Hadley se décrit donc ainsi :

Les cellules de Hadley transportent chaleur et humidité (L'humidité est la présence d'eau ou de vapeur d'eau dans l'air ou dans une substance...) des tropiques vers les latitudes moyennes.

Dans l'image, on voit en (4) que l'air chaud et humide converge à l'équateur parce que le facteur de Coriolis y est négligeable et que les vents n'y ont pas de direction privilégiée. L'air se déplace alors vers les zones de pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) plus basses (4) où ils s'élèvent en formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de...) des orages (1). C'est la zone dite de convergence (Le terme de convergence est utilisé dans de nombreux domaines :) intertropicale où les précipitations sont très abondantes mais les vents faibles (le pot-au-noir).

Quand les parcelles d'air chaud et humide atteignent la tropopause (La tropopause est la limite supérieure de la troposphère et la limite inférieure de la...) (limite entre la troposphère (La troposphère est la partie de l'atmosphère terrestre située entre la surface du globe et une...) et la stratosphère), à environ 12 à 15 km d'altitude, elles ne peuvent monter plus haut ni ne peuvent rester à cet endroit à cause du flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) constant venant des basses couches de l'atmosphère. Par conséquent, elles sont repoussées vers le nord (2a) ou le sud (2b) de l'équateur.

En s'éloignant de l'équateur, la force de Coriolis (La force de Coriolis est une force inertielle agissant perpendiculairement à la direction du...) augmente ce qui dévie les parcelles vers l'Est (du point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) d'un observateur terrestre). En se déplaçant vers les Pôles, l'air se refroidit par échange avec l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...) ce qui éventuellement le rend négativement instable et il commence à descendre (3). Lors de la descente, les parcelles d'air suivent la courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du...) de gradient thermique adiabatique (Le gradient thermique adiabatique est, dans l'atmosphère terrestre, la variation de...) sèche, ce qui fait qu'elles se réchauffent et que leur humidité relative tombe. Cela se produit autour de 30 à 35 degrés N et S où l'on retrouve la zone de calme subtropical aride dominée par un anticyclone (Un anticyclone est une zone de circulation atmosphérique autour d'un centre de haute pression....).

Finalement, l'air venant de l'anticyclone se dirige vers l'équateur pour compléter le cycle et cette fois, la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) de Coriolis le dévie vers l'Ouest, ce sont les alizés qui soufflent du nord-est dans l'hémisphère nord et du sud-est dans celui du sud. Ces cellules sont multiples autour de la Terre et elles ne sont pas alignées exactement avec l'équateur géographique mais plutôt avec l'équateur défini comme le point au zénith du soleil ce qui amène une variation saisonnière vers le nord et le sud de la position de ces cellules. En plus, la différence de réchauffement local et la friction sous deux kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système...) d'altitude changent constamment la position d'une cellule particulière.

Cellule polaire

La cellule polaire est un système identique à la cellule de Hadley. Même si l'air est plus sec et froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) au nord/sud du 60ième parallèle, il peut subir une circulation fermée convective. Le parcours de l'air se passe sous 8 km car la tropopause n'y dépasse pas ce niveau. L'air descendant est très sec ce qui explique que les Pôles soient des déserts froids. Encore une fois, la force de Coriolis dévie l'air vers l'ouest et un observateur terrestre note des vents du nord-est dans l'hémisphère nord et du sud-est dans l'hémisphère sud (L'hémisphère sud ou hémisphère austral est la moitié du globe terrestre...).

Les anticyclones semi-permanents sur la Sibérie, les îles arctiques et l'Antarctique (L'Antarctique (prononcé [ɑ̃.taʁk.tik] Écouter) est le continent le plus...) sont une conséquence directe de la cellule polaire ce qui fait que le patron météorologique de ces régions est relativement stable contrairement aux dépressions à répétition qui affectent les latitudes moyennes. De plus, cela permet à des dômes très froids de se former donnant des records de basses températures d'y être rapportés (-89,2 °C à la station Vostok II en 1983 en Antarctique).

La circulation polaire interagit avec le terrain pour donner des ondes harmoniques longues appelées ondes de Rossby. Ces dernières ont un rôle important dans la trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et...) du courant-jet (Un courant-jet, aussi couramment désigné par sa dénomination anglophone de jet...) polaire qui sépare la cellule polaire de celle de Ferrel. L'énergie solaire (L'énergie solaire est l'énergie que dispense le soleil par son rayonnement, directement ou de...) venant de l'équateur est transférée à la cellule polaire par ce mécanisme et peut finalement être distribuée jusqu'aux Pôles.

La cellule de Ferrel

La cellule de Ferrel couvre les latitudes moyennes entre 30 et 60 degrés. Elle est nommée en hommage à William Ferrel (1817-1891) qui a cherché à décrire la circulation générale d'ouest qu'on y retrouve. C'est une circulation indirecte, contrairement aux cellules de Hadley et polaire.

Dans les latitudes moyennes, on retrouve de l'air froid venant des Pôles par la cellule polaire et de l'air chaud venant de l'équateur par la cellule de Hadley. Ces deux types de masses d'air se rencontrent le long d'un ruban thermique plus ou moins continu et intense. Selon la direction des vents au sol, on assiste en certains points au resserrement de ce ruban et à une cyclogénèse (La cyclogénèse ou cyclogenèse est le développement ou l'intensification d'une...) dans la circulation pour créer des dépressions ce qui pousse (Pousse est le nom donné à une course automobile illégale à la Réunion.) l'air chaud vers les Pôles et l'air froid vers l'équateur.

Dans ces systèmes, l'air chaud et humide rencontrant l'air plus froid doit s'élever non pas par convection (La convection est un mode de transfert d'énergie qui implique un déplacement de...) mais par forçage dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il...) ce qui crée un mouvement vertical synoptique ascendant. Ce dernier doit être compensé en amont et en aval par un mouvement vertical descendant. Ceci crée donc une succession d'anticyclones et de dépressions le long du ruban thermique. Les vents tournant dans le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...) inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de...) dans les dépressions et les anticyclones, les habitants des latitudes moyennes subissent donc un régime continuellement changeant des vents.

Flux zonal

Flux zonal d'ouest

Toute cette succession de systèmes météorologiques se déplace dans une direction générale d'ouest en est. Le ruban thermique explique cette circulation d'ouest appelée flux zonal.

En effet, les vents sont essentiellement le déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles...) de l'air des hautes vers les basses pressions, déviés vers la droite dans l'hémisphère nord par la force de Coriolis nord et la gauche dans celui du sud. Le gradient de pression dépend quant à lui de la structure thermique dans la colonne d'air. Plus la différence de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) entre deux zones est grande, plus la différence de pression et le vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface...) augmenteront avec l'altitude. Le vent sera parallèle au ruban thermique, car la variation de pression est perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en...) à celui-ci.

Ainsi le courant-jet se forme au-dessus d'un ruban serré de différence de températures que l'on nomme front (front chaud et front froid) et qui sépare les masses d'air froid (vers les pôles) et chaud (vers l'équateur). Comme en moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de...) le ruban thermique, appelé zone barocline, est Ouest-Est, le résultat est une circulation générale d'Ouest en Est aux latitudes moyennes.

Flux méridional

Développement d'une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) de Rossby le long du ruban thermique

Cependant, les différences de friction dans la basse couche de l'atmosphère, comme le passage de l'océan (Océans stylisé Ωcéans est un documentaire français réalisé par...) aux montagnes de la côte ouest de l'Amérique (L’Amérique est un continent séparé, à l'ouest, de l'Asie et...), dévient le vent. Cela crée des ondes dans la circulation qui se reflètent en altitude par une circulation qui prend la forme d'un sinus (En mathématiques, les fonctions trigonométriques sont des fonctions d'angle importantes pour...) à plusieurs cycles décrit comme ondes de Rossby.

La portion du flux qui prend alors une direction nord-sud est appelée flux méridional. C'est cette composante du flux qui transfert l'air froid vers l'équateur et l'air doux vers les Pôles. Elle contribue ainsi à l'intensification des dépressions et aux forts changements de température de surface. La position de ce sinus n'est pas stable car il dépend du transfert de températures dans la couche sous-jacente. Il se déplace, se déforme et des tourbillons indépendants s'en détachent.

Page générée en 0.120 seconde(s) - site hébergé chez Amen
Ce site fait l'objet d'une déclaration à la CNIL sous le numéro de dossier 1037632
Ce site est édité par Techno-Science.net - A propos - Informations légales
Partenaire: HD-Numérique