La circulation générale de l'atmosphère - Cours météo

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La météo telle que nous la connaissons tous les jours est régie par différents courants atmosphériques. Alors que l'Europe est sous l'influence d'un courant-jet, ou jet stream, on retrouve des courants semblables tout autour du globe, toujours dans la partie basse de l’atmosphère, la troposphère. Ces courants d'air sont en partie à l'origine de la circulation générale de l'atmosphère.

 

 

1 | Origine des mouvements atmosphériques

 

À chaque instant, la Terre reçoit de grandes quantités d'énergie venant du soleil. Cette énergie reçue sous forme de rayonnements n'est pas répartie uniformément à sa surface. En effet, la sphéricité de la Terre fait que l'énergie reçue est plus importante sur la zone équatoriale, soit à la perpendiculaire des rayons du soleil, qu'aux pôles, donc à la parallèle des rayons du soleil. Ce rayonnement va être confronté à l'atmosphère puis à la surface de la Terre.

Ces deux éléments vont renvoyer vers l'espace une grande partie des rayonnements reçus. On parle de 30% du rayonnement renvoyé vers l'espace alors que sur la totalité des rayonnements reçus, l'atmosphère va en absorber près de 20%. Il est important de noter que la zone la plus concernée par les rayonnements n'est pas fixe. Elle bouge avec l'inclinaison de l'axe de rotation de la Terre.

 

 

Le rayonnement ainsi absorbé va provoquer l’excitation des molécules composant l'atmosphère qui vont à leur tour émettre un rayon différent de celui reçu. Ce phénomène explique en grande partie l'effet de serre, à l'origine du réchauffement des zones concernées. Réchauffement d'autant plus intense que l'on sera proche de la zone intertropicale. On tient ici la base des mouvements de l'atmosphère.

Il faut savoir que si les mouvements atmosphériques n'existaient pas, la zone intertropicale se réchaufferait constamment alors que les zones proches des pôles se refroidiraient constamment.

 

 

2 | Les cellules de Hadley

 

Un peu d'histoire. En 1735, un météorologue amateur britannique nommé Georges Hadley imagine un modèle de transferts d'énergie au sein de la troposphère. Ce modèle dit que dans la zone équatoriale, l'air, chauffé par les rayons solaires, devient moins dense et monte en altitude. C'est l'ascendance. Après cela, il se dirigerait vers les pôles en restant à haute altitude avant de rejoindre lentement le sol à mesure qu'il s'en approche. On parle alors de subsidence. En contrepartie, l'air froid des pôles se dirigerait progressivement vers l’Équateur en restant à basse altitude. Cela forme donc une cellule de convection ou une boucle de convection.

 

Mais dans son modèle, Hadley ne prenait pas en compte la force de Coriolis. La force de Coriolis est une force d'inertie due à la rotation de la Terre agissant sur un objet à la perpendiculaire de sa direction de déplacement. Cette force est, par exemple, celle qui nous empêche de nous tenir droit sur une surface qui tourne, type manège. La force de Coriolis est valable pour tous les objets en mouvement, particules de l'atmosphère incluses. Pour faire simple, elle dévie les objets sur leur droite dans l'hémisphère nord, sur leur gauche dans l'hémisphère sud et n'a aucune influence au niveau de l’Équateur. Là où elle est à prendre en compte dans le modèle de Hadley, c'est qu'à mesure qu'on s'éloigne de l’Équateur, la force de Coriolis devient de plus en plus importante. Au-delà de 30° de latitude nord ou sud, son intensité est si importante qu'elle interrompt la remontée de la masse d'air. Commence donc à cet endroit la subsidence.

 

Pour synthétiser, une cellule de Hadley est un mouvement de convection qui permet le transfert d'énergie sous forme de chaleur évoluant entre l’Équateur et les environs du 30° parallèle nord ou sud. Elle transporte une masse d'air chaud tropical en altitude depuis l'Équateur vers les latitudes subtropicales et de l'air plus tempéré depuis les latitudes subtropicales vers la zone équatoriale.

 

 

Aujourd'hui, de nombreux phénomènes intertropicaux et subtropicaux peuvent être expliqués grâce aux cellules de Hadley. Si les zones tropicales sont si humides ou que la zone proche de l’Équateur sur les océans soit presque incessamment recouverte par de nombreux nuages convectifs, c'est simplement lié au fait que l'air y est très chaud et humide. De plus, plus l'air est chaud, plus il peut contenir d'eau. En s'élevant, l'air va se détendre et donc se refroidir. Au fur et à mesure que l'air se refroidit, il va finir par atteindre son point de rosée (température à laquelle la vapeur d'eau présente dans l'air se condense). À partir de là, des nuages vont se former. Ils sont très généralement convectifs car il y a une forte ascendance du fait de l'air de surface très chaud.

Ce processus va assécher en grande partie l'air avant qu'il ne commence son transfert vers de plus hautes latitudes. Lorsque l'air va entrer en subsidence, au-delà du 30° parallèle, il va se réchauffer au profit de la pression grandissante, mais sa composition ne changera pas. C'est pourquoi on retrouve des zones désertiques aux latitudes subtropicales.

Lorsqu'on fait la moyenne sur une longue période, on remarque que la pression atmosphérique est plus faible au niveau de l'Équateur qu'aux alentours des 30° parallèles, où la pression est supérieure à la moyenne mondiale. Cela s'explique simplement par le fait que la partie ascendante des cellules se trouve au niveau de l’Équateur alors que la partie descendante se trouve aux alentours des 30° parallèles.

Les Alizés sont aussi originaires des cellules de Hadley. Ce courant d'air régulier orienté à l'est dans les deux hémisphères est simplement la conséquence de la descente d'air tempéré à basse altitude.

 

 

3 | La circulation au-delà de 30° latitude : les courants-jet

 

Comme vu précédemment, les cellules de Hadley transportent l'air équatorial via la haute troposphère. L'air finit par perdre de l'altitude et atteindre le sol avant de faire le trajet retour vers l’Équateur, emportant avec lui l'air plus tempéré. Cependant, tout l'air transporté vers le nord ne cède pas à la subsidence. Une partie reste en altitude et, grâce à la force de Coriolis, va se mettre en mouvement, d'ouest en est. Ce mouvement n'est autre qu'un courant qui pourrait être comparé à un tube. Ce « tube » d'air évoluant dans la haute troposphère est épais de quelques kilomètres, long de plusieurs centaines à quelques milliers de kilomètres et large de quelques dizaines de kilomètres. La puissance des vents va être d'autant plus grande que l'on va se rapprocher du centre du courant dans lequel la vitesse instantanée peut atteindre 100 mètres par seconde soit 360 km/h !

 

Ce courant-jet bien connu en France, n'est pas exclusif à nos latitudes. On retrouve une certaine symétrie entre les deux hémisphères. Un courant jet semblable mais néanmoins légèrement moins puissant évolue dans l'hémisphère sud dans les mêmes circonstances et aux latitudes sud équivalentes.

 

De plus, un courant-jet semblable existe près des pôles, aux environs des 60° parallèles. Ce courant est la résultante des cellules convectives polaires. Les cellules polaires sont des cellules dont le fonctionnement est identique aux cellules de Hadley. Elles transportent en surface de l'air froid depuis le pôle jusqu'au 60° parallèle (valeur approximative) avant de rapporter de l'air légèrement plus doux vers le pôle à une altitude plus faible, aux environs de 8 000 mètres car la tropopause au niveau des pôles est plus basse qu'au niveau de l’Équateur. Ces cellules ont les mêmes conséquences que les cellules de Hadley. C'est pourquoi les pôles sont des déserts froids.

 

On distingue ici deux courants-jet, le jet polaire et le jet subtropical

 

 

Ces quatre courants-jet sont des rails de dépressions. Ils régissent la météo sur les deux zones tempérées du globe. Les courants-jet vont décider de l'intensification ou non d'une dépression en fonction de la position du courant par rapport à la dépression. Dans les deux hémisphères, les courants-jet ont une même direction : ouest-est. Sur les régions tempérées, ils provoquent très régulièrement des flux zonaux d'ouest avec une succession de perturbations et d'anticyclones.

 

 

4 | La circulation au-delà de 30° latitude : anticyclones et dépressions

 

Avant de rentrer dans le vif du sujet, il est important d’intégrer quelques notions fondamentales. Les anticyclones et dépressions sont indissociables des champs de pression. Ces derniers sont analysables par deux manières différentes. Les champs de pression au niveau de la mer et les champs de pression en altitude, généralement à l'altitude correspondant à 500 hectopascals (hPa). Il faut savoir qu'un hectopascal correspond à un gramme d'air par centimètre carré et qu'un champ de pression est repérable par une cellule sur la carte ; un anticyclone est un champ de pression au même titre qu'une dépression.

 

Concernant les champs de pression au sol, on visualise la situation sur une carte de pression. Les lignes présentes sont des isolignes, lignes reliant les points de pression égale en hPa. La pression atmosphérique telle qu'on la connaît est toujours rapportée par calcul au niveau de la mer. En effet, la pression varie bien plus verticalement qu'horizontalement avec les conditions météorologiques changeantes. Sur les cartes de pression, on peut remarquer des « vallées », des « lignes de crêtes » ou autres « cols ». Ces ensembles correspondent respectivement à des thalwegs, des dorsales et… des cols. Quant aux valeurs de pression, on considère que le temps est dépressionnaire en dessous de 1015 hPa et anticyclonique au-dessus de 1015 hPa.

 

Concernant maintenant le champ de pression en altitude, il est généralement représenté pour l'altitude correspondant à 500 hPa (5 500 m). On représente cela sous forme de carte classique, mais avec des paramètres différents. On ne représente pas les isobares mais les isohypses, des lignes d'altitudes égales dont la mesure se fait en décamètre. Cela dit, l’interprétation reste naturelle. Plus les isohypses vont être élevées, plus la pression au sol sera haute, on sera donc en présence d'un anticyclone. L'inverse est également valable.

 

Les isolignes sont ici représentées en blanc et les isohypses sont les limites entre différentes couleurs

 

 

Une autre notion importante, c'est l'équilibre géostrophique. Pour rentrer dans les détails, l'air se dirige des hautes pressions vers les basses pressions mais pas en ligne droite car la force de Coriolis intervient en détournant le mouvement des particules d'air. Les particules sont détournées vers leur droite dans l'hémisphère nord et vers leur gauche dans l'hémisphère sud. Lorsque le gradient de pression devient égal à la force de Coriolis, l'équilibre géostrophique est trouvé !

 

Les champs de pression sont très visibles sur cette carte. "L" représentant une dépression, "H" un anticyclone

 

 

Mais revenons-en au sujet principal, à savoir les anticyclones et les dépressions. Un anticyclone, au même titre qu'une dépression brasse l'atmosphère et mélange ainsi les masses d'air. Ils effectuent des transferts d'énergie et sont donc, eux aussi, considérés comme des cellules : les cellules de Ferrel. Les anticyclones sont des zones de hautes pressions sous lesquels la subsidence a lieu. Lorsque le courant d'altitude arrive au niveau des latitudes plus tempérées, commence alors la subsidence. Il aura pour conséquence d'augmenter la pression atmosphérique et ainsi d'aboutir à un anticyclone.

Les vents qui sont donc descendants au sein de l'anticyclone, vont peu à peu s'en écarter en tournant autour de l'anticyclone dans le sens horaire pour l'hémisphère nord et antihoraire pour l'hémisphère sud. L'anticyclone est synonyme de temps beau et sec en été car l'air qui y descend est peu humide voire sec.

 

Les dépressions font l'inverse. Ce sont des zones d’ascendance dans lesquelles l'air chargé en humidité s'engouffre en tournant autour du cœur de la dépression dans le sens antihoraire dans l'hémisphère nord et horaire dans l'hémisphère sud. Dans tous les cas, le vent ira des hautes pressions vers les basses pressions avec une vitesse plus ou moins importante. Sur une carte de pression, plus les isobares seront resserrées, plus le vent sera puissant.

 

 

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Voici deux vidéos qui vont vous éclairer avec des mots simples... En cas de questions, n'hésitez pas à nous contacter via notre interface de contact.