Les vents et la circulation de l’atmosphère à l’échelle planétaire

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1 Les vents et la circulation de l’atmosphère à l’échelle planétaire
2011 Formation en météorologie Les vents et la circulation de l’atmosphère à l’échelle planétaire Lecture facultative : Ahrens 2009, Meteorology Today, pp ; © 2010 Richard Harvey

2 Quelques remarques à propos du vent sur les cartes météo
L : dépression ou cyclone extra-tropical Les vents y tournent en sens anti-horaire (hémisphère Nord) … pourquoi ? H : anticyclone Les vents y tournent en sens horaire (hémisphère Nord) … pourquoi ? Les vents croisent les isobares en surface et sont parallèles à celles-ci en altitude … pourquoi ? SCA-2611 Introduction à la météorologie

3 Physique élémentaire : vitesse et forces
Plus les contours sont rapprochés, plus les vents sont forts … pourquoi ? pression température -5 -4 Point de rosé Direction et vitesse du vent Couverture nuageuse SCA-2611 Introduction à la météorologie

4 Physique élémentaire : vitesse et forces
Qu’est-ce que la vitesse d’un objet ? Distance parcourue dans un temps donné, ET… La direction dans laquelle l’objet se déplace En physique, lorsque la vitesse d’un objet change (en grandeur et/ou en direction), on dit qu’il y a accélération. Il y a accélération lorsque : Seulement la direction change, ou Seulement la grandeur change Ou les deux changent SCA-2611 Introduction à la météorologie

5 Physique élémentaire : vitesse et forces
Toute accélération d’un objet est le résultat d’une force agissant sur l’objet (si aucune force n’agit, la vitesse de l’objet restera constante et en grandeur, et en direction) Donc si un objet va plus vite, ou s’il va moins vite, ou s’il change de direction, il est accéléré, et cela est dû à une force agissant sur lui La direction et la vitesse du vent dépend donc de la nature des forces agissant sur l’air SCA-2611 Introduction à la météorologie

6 SCA-2611 Introduction à la météorologie
Question… Quelle est la force nette agissant sur une voiture se déplaçant à une vitesse constante de 160 km/h ?? SCA-2611 Introduction à la météorologie

7 Les forces agissant sur le vent
Force du gradient de pression Force de Coriolis Force centripète Force de friction SCA-2611 Introduction à la météorologie

8 Force du gradient de pression
La pression au bas du tube A (H=haute pression) est plus grande qu’en B (L=basse pression) : il y a un gradient de pression de A vers B La pression étant une force par unité de surface égale dans toutes les directions, la force de H vers L est plus grande que celle de L vers H La force nette est dirigée de H vers L (de la haute vers la basse pression) C’est la force du gradient de pression (FGP) FIGURE 8.17 The higher water level creates higher fl uid pressure at the bottom of tank A and a net force directed toward the lower fluid pressure at the bottom of tank B. This net force causes water to move from higher pressure toward lower pressure. SCA-2611 Introduction à la météorologie © 2010 Richard Harvey

9 SCA-2611 Introduction à la météorologie
La FGP et les isobares Sur une carte de surface, la force du gradient de pression FGP (PGF = « pressure gradient force ») est toujours dirigée des hautes pressions vers les basses pressions Plus les isobares sont rapprochées, plus la FGP (PGF) est grande La FGP (PGF) est perpendiculaire aux isobares FIGURE 8.19 The closer the spacing of the isobars, the greater the pressure gradient. The greater the pressure gradient, the stronger the pressure gradient force (PGF). The stronger the PGF, the greater the wind speed. The red arrows represent the relative magnitude of the force, which is always directed from higher toward lower pressure. SCA-2611 Introduction à la météorologie © 2010 Richard Harvey

10 La FGP et la force du vent
Les isobares rapprochées correspondent à de forts vents Les isobares plus lâches correspondent à des vents plus faibles SCA-2611 Introduction à la météorologie

11 SCA-2611 Introduction à la météorologie
Force de Coriolis La FGP est la cause d’origine du vent Dès que l’air se met à bouger à cause de la FGP, il est immédiatement dévié de sa course par la force de Coriolis SCA-2611 Introduction à la météorologie

12 SCA-2611 Introduction à la météorologie
Force de Coriolis SCA-2611 Introduction à la météorologie

13 SCA-2611 Introduction à la météorologie
Force de Coriolis La force de Coriolis sur un objet se déplaçant au-dessus d’une Terre en rotation dépend de La vitesse de l’objet La latitude de l’objet La force de Coriolis ne change que la direction du vent, jamais la vitesse SCA-2611 Introduction à la météorologie

14 Effet de la vitesse FIGURE 8.22 The relative variation of the Coriolis force at different latitudes with different wind speeds.

15 Effet de la latitude FIGURE 8.23 Except at the equator, a free-moving object heading either east or west (or any other direction) will appear from the earth to deviate from its path as the earth rotates beneath it. The deviation (Coriolis force) is greatest at the poles and decreases to zero at the equator. Visit the Meteorology Resource Center to view this and other active figures at academic.cengage.com/login

16 Pourquoi le vent en altitude est-il parallèle aux isobares ?
SCA-2611 Introduction à la météorologie

17 SCA-2611 Introduction à la météorologie
Vent géostrophique Lorsque le vent est à l’équilibre entre la FGP et la force de Coriolis, il souffle à vitesse constante et dans la même direction, et se nomme vent géostrophique (géo : Terre ; strophos : tournant) Le vent est purement géostrophique le long d’isobares rectilignes SCA-2611 Introduction à la météorologie

18 SCA-2611 Introduction à la météorologie
Le vent géostrophique en altitude peut être estimé comme suit : Direction : parallèle aux isobares Vitesse : inversement proportionnelle à l’espacement des isobares (rapprochées = vents forts; éloignées = vents faibles) Donc : même en l’absence de mesures directes du vent, le vent réel peut être estimé (à 10% près) par les mesures de pression seulement. SCA-2611 Introduction à la météorologie

19 SCA-2611 Introduction à la météorologie
Force centripète Les isobares des cartes météo ne sont pas seulement rectilignes, mais présentent très souvent une courbure plus ou moins importante. La courbure des isobares cause un déséquilibre entre la force du gradient de pression et la force de Coriolis, causant à son tour un changement dans la direction du vent. La force nette se nomme force centripète, puisqu’elle agit vers le centre du système afin de changer la direction du vent. SCA-2611 Introduction à la météorologie

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Force de friction La surface de la Terre, avec toutes ses irrégularités et sa topographie variée, cause une force de friction importante sur le vent, qui se fait sentir typiquement jusqu’à 1000m d’altitude. Cette couche de l’atmosphère dans laquelle l’effet de la surface terrestre est notable se nomme la couche limite planétaire. La force de friction cause une diminution de la vitesse du vent, et donc de la force de Coriolis. Il s’ensuit une domination du gradient de pression sur la force de Coriolis, qui amène le vent à tourner vers les basses pressions de sorte que la direction du vent croise les isobares vers les basses pressions selon un angle d’environ 30° en moyenne. SCA-2611 Introduction à la météorologie

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Force de friction Autour d’une dépression en surface, le vent tourne donc dans le sens anti-horaire dans l’hémisphère Nord (horaire dans l’hémisphère Sud) et converge vers son centre. Autour d’un anticyclone en surface, le vent tourne dans le sens horaire dans l’hémisphère Nord (anti-horaire dans l’hémisphère Sud) et diverge de son centre. SCA-2611 Introduction à la météorologie

22 SCA-2611 Introduction à la météorologie
La convergence des vents de surface autour d’une dépression provoque l’ascension de l’air au centre Vers 5-6km d’altitude, cet air commence à diverger. La pression centrale de la dépression changera si la convergence en surface n’est pas égale à la divergence en altitude Le développement d’une dépression dépend donc du déséquilibre entre la convergence de surface et la divergence d’altitude SCA-2611 Introduction à la météorologie

23 Résumé : Les forces Force du gradient de pression
Produite par la différence de pression due à une différence de température Force de Coriolis (force apparente) Dévie la circulation atmosphérique vers la droite dans l’hémisphère nord à cause de la rotation de la terre. Force centripète Force nette dirigeant le vent vers l’intérieur des systèmes de basse et de haute pression. Friction Frottement dû à la surface de la terre.

24 C A Résumé : Les forces C A CIRCULATION HORIZONTALE
CIRCULATION VERTICALE Nord C A 900 mb 904 mb 908 mb Gradient de pression C A Force du gradient de pression Force de Coriolis Vent de horizontal La vitesse du vent est proportionelle au gradient de pression. La forces centripète dirige le vent vers l’interieur du cyclone et vers l’extérieur de l’anticyclone. La force de friction va réduire la vitesse du vent.

25 SCA-2611 Introduction à la météorologie
Les vents à l’échelle planétaire : la circulation générale SCA-2611 Introduction à la météorologie

26 Les vents à l’échelle planétaire : la circulation générale
Nous verons que la Terre, étant un objet sphérique, n’est pas réchauffée uniformément par le Soleil, les tropiques recevant toujours plus d’énergie que les pôles (l’effet étant modulé par l’inclinaison l’axe de rotation de la Terre et les saisons). La rotondité de la Terre provoque ainsi un réchauffement différentiel latitudinal*. Si la Terre n’avait pas d’atmosphère ni d’océans, il s’ensuivrait un équilibre radiatif entre la surface et l’espace interplanétaire grâce auquel, à chaque latitude, des quantités égales d’énergie infra-rouge émise et d’énergie solaire reçue seraient observées. Dans ce cas, le contraste entre l’équateur et les pôles serait extrême. Par exemple, sur la Lune, le contraste entre l’équateur et les pôles peut atteindre plus de 300°C (+100°C à l’équateur vs. -200°C aux pôles) ! * Latitudinal : dans le sens nord-sud SCA-2611 Introduction à la météorologie

27 Les vents à l’échelle planétaire : la circulation générale
La présence d’une atmosphère autour de la Terre modifie la réponse de la planète au réchauffement différentiel à la manière d’une gigantesque brise de mer nord-sud. Dans ce contexte, la circulation planétaire transportera l’excès de chaleur équatoriale vers les pôles, de sorte que le contraste pôle-équateur n’est plus que d’environ 70°C en moyenne (+30° à l’équateur vs. -40°C aux pôles). L’effet de l’atmosphère terrestre est donc de redistribuer globalement la chaleur solaire et minimiser le contraste nord-sud des températures. * Latitudinal : dans le sens nord-sud SCA-2611 Introduction à la météorologie

28 Si la Terre ne tournait pas...
Nous supposons ici que la Terre ne tourne pas et qu’elle est couverte d’océans à 100% Comme dans le cas de la brise de mer, le réchauffement différentiel Nord-Sud causerait ici un gradient de pression permanent en altitude, avec des hautes pressions dans les tropiques et des basses pressions dans les régions polaires La divergence de l’air au-dessus de l’équateur créerait une basse pression en surface et la convergence au-dessus des pôles créerait une haute pression en surface SCA-2611 Introduction à la météorologie

29 Si la Terre ne tournait pas...
Les vents de surface seraient donc partout du Nord dans l’hémisphère Nord et du Sud dans l’hémisphère Sud, avec des courants ascendants à l’équateur et subsidents aux pôles. Il s’en suivrait une circulation thermique nord-sud unique, de l’équateur vers les pôles en altitude, puis des pôles vers l’équateur en surface Ces cellules thermiques de circulation s’appellent des cellules de Hadley*. * George Hadley : météorologiste Anglais du XVIIIe siècle SCA-2611 Introduction à la météorologie

30 Et pourtant, elle tourne...
Il est possible de démontrer qu’une cellule de Hadley unique n’est pas viable sur une planète en rotation comme la Terre, car les vents en surface seraient d’est en ouest à toutes les latitudes, ce qui est contraire aux observations. En fait, la rotation de la Terre scinde la cellule de Hadley en trois cellules comme le montre la figure ci-contre. Notez que la cellule de Hadley existe toujours, mais seulement à l’intérieur d’une bande de latitudes où la force de Coriolis est minimale, voire nulle : les regions tropicales, situées entre 30°N et 30°S. SCA-2611 Introduction à la météorologie

31 Et pourtant, elle tourne...
À l’intérieur de cette bande, la (faible) force de Coriolis (combinée avec la friction) provoque tout de même des vents en surface du nord-est dans l’hémisphère Nord, et du sud-est dans l’hémisphère Sud : ce sont les alizés. Ces vents créent une ceinture de convergence en surface et de l’air ascendant tout autour du globe : c’est la Zone de convergence inter-tropicale (ITCZ sur la figure), caractérisée par de fortes précipitations tout au long de l’année. SCA-2611 Introduction à la météorologie

32 Et pourtant, elle tourne...
En altitude, les vents de la cellule de Hadley sont déviés de plus en plus vers l’est, puis convergent à 30°N et 30°S pour y former des ceintures de hautes pressions permanentes où l’air subsident diverge en surface et où le temps est généralement clair. Ces anticyclones sous-tropicaux abritent les grands déserts du monde (Sahara, Gobi, Kalahari, Australien, etc.) SCA-2611 Introduction à la météorologie

33 Tout est question d’équilibre...
La cellule de Hadley est un type de cellule dite thermale directe. Ces cellules transportent un excès de chaleur vers les régions ayant un déficit dans le but de minimiser les écarts horizontaux de température. La particularité des cellules directes est que l’air chaud doit également monter, en plus de se déplacer vers les régions plus froides. De façon similaire, la branche d’air froid doit être descendante. Ainsi, la cellule est engendrée directement par un réchauffement différentiel et respecte la tendance naturelle de l’air chaud (et peu dense) à monter, et de l’air froid (et plus dense) à descendre. Notez que ce transport s’accomplit selon un plan vertical (et orienté Nord-Sud). Une autre cellule agit de façon similaire : la cellule polaire, qui transporte le froid intense des pôles vers le Sud grâce à des vents du Nord-Est en surface. SCA-2611 Introduction à la météorologie

34 SCA-2611 Introduction à la météorologie
La cellule de Ferrel La cellule intermédiaire entre la cellule de Hadley et la cellule polaire, appelée cellule de Ferrel, est un peu spéciale : elle n’est pas engendrée directement par un réchauffement différentiel, la preuve étant que l’air chaud des sous-tropiques descend en se déplaçant vers le Nord, et l’air froid des latitudes moyennes monte en se déplaçant vers le Sud. La cellule de Ferrel est en fait le résultat d’un tout autre régime de transport de chaleur qui s’accomplit grâce aux systèmes de hautes et basses pressions des latitudes moyennes. Ces systèmes sont caractérisés pas de grands tourbillons en surface qui sont intimement couplés avec de grands courants en altitude appelés courants jet. Ce transport vers les pôles s’accomplit dans le plan horizontal. SCA-2611 Introduction à la météorologie

35 Le régime des vents d’ouest
Les courants jet font partie de ce que l’on appelle le régime des vents d’ouest, puisque le gradient nord-sud des températures, de concert avec la force de Coriolis, force des vents généralement d’ouest en altitude. Notez qu’en surface, la cellule de Ferrel présente des vents du Sud déviés vers l’est pour former des vents du sud-ouest (ici dans l’hémisphère Nord). Ces vents rencontrent les vents du nord-est de la cellule polaire le long du front polaire. Les vents chauds du sud-ouest sont donc forcés de monter, non pas grâce à un réchauffement intense de la surface comme dans les tropiques, mais grâce à la rencontre de deux masses d’air de températures et de densités différentes. La montée de l’air est accompagnée de précipitations. SCA-2611 Introduction à la météorologie

36 En résumé, deux mécanismes de transport de chaleur pour la Terre
Dans les régions tropicales, caractérisées par une faible rotation, le régime de la cellule de Hadley transporte dans un plan vertical la chaleur équatoriale vers les sous-tropiques, dans une bande de latitudes restreintes entre 30°N et 30°S. Sous les moyennes et hautes latitudes, caractérisées par une forte rotation, le régime des vents d’ouest (aussi appelé régime des cyclones extra-tropicaux) transporte dans un plan horizontal la chaleur par l’action des méandres du courant jet et des systèmes de hautes et de basses pressions. SCA-2611 Introduction à la météorologie

37 … et deux régimes de précipitation
Comme « produit dérivé » de ces régimes complémentaires, on observe des régimes de précipitations orageuses et intenses le long de l’équateur et des précipitations plus continues aux latitudes moyennes, tandis que le temps sec et généralement clair domine dans les sous-tropiques et les régions polaires. SCA-2611 Introduction à la météorologie

38 Régime des vents d’ouest
Régime de Hadley Régime des vents d’ouest SCA-2611 Introduction à la météorologie

39 Les courants jet sous-tropical et polaire
Comme mentionné précédemment, le régime des vents d’ouest prend naissance des gradients nord-sud de température entre les tropiques et les pôles, lesquels produisent des gradients nord-sud de pression en altitude. Combiné à la force de Coriolis, des vents d’ouest en altitude résultent nécessairement, et ce dans les deux hémisphères. Par définition, le gradient nord-sud de température est très élevé le long du front polaire. Il s’ensuit un fort gradient nord-sud de pression en altitude, et donc un fort vent d’ouest. Ces vents particulièrement forts se situent à la tropopause, et sont fondamentalement reliés à la présence du front polaire : c’est le courant jet polaire, que l’on observe généralement près de 60° de latitude. SCA-2611 Introduction à la météorologie

40 Les courants jet sous-tropical et polaire
De manière similaire, l’air convergent au-dessus des anticyclones sous-tropicaux concentre les températures en altitude le long du front sous-tropical (mais qui n’existe pas en surface), et forme le courant jet sous-tropical à la tropopause près de 30° de latitude. Les courants jet s’assimilent donc à des « rivières » rapides d’air qui englobent la Terre aux latitudes sous-tropicales et moyennes SCA-2611 Introduction à la météorologie

41 La formation des courants jet
SCA-2611 Introduction à la météorologie

42 Des rivières d’air autour du globe
Les courants dominants se situent en altitude où les vents soufflent le plus fort. Il y a moins de friction en altitude qu’à la surface de la terre. La différence de température entraîne la formation du courant polaire et subtropical. En hiver, la plus grande différence de température entre l’équateur et le pôle intensifie le courant jet. Ces vents sont dirigés d’ouest en est à cause de la force de Coriolis. Courant polaire Courant subtropical SCA-2611 Introduction à la météorologie

43 A westerly jet stream produces a narrow, contained band of cirrus cloud that stretches across the Red Sea from the Sudan to Saudi Arabia. This photograph has been taken from about 320 kilometers (200 miles) above the Earth. The contained uniformity of the cloud formation reflects the narrow track of the jet stream moving from left to right across the frame. The shuttle photo shows that the cloud band comprises a series of distinct and precisely spaced roll clouds. These are created by a rolling motion in the upper level air current. Source: LPI/NASA. Cross Reference: Cirrus de courant-jet Cette photo, prise à une altitude d’environ 320 km, montre une bande de cirrus produits par les vents d’ouest du courant-jet qui s’étend entre la Mer Rouge à l’Arabie saoudite. L’uniformité dans la bande de nuage reflète que le parcours étroit du courant-jet se déplace de la gauche vers la droite sur l’image. Cette photo provenant d’une navette, montre que la bande nuageuse comprend une série de nuages distincts et également espacés. Ils sont formés par un mouvement ondulatoire dans le courant d’air en altitude. (Gracieuseté de LPI/NASA. Picture # )

44 Résumé La circulation générale est la circulation moyenne de l’air atmosphérique. Le vent instantané est très différent de la valeur moyenne. Les conditions moyennes nous aident à identifier les causes majeures de l’écoulement de l’air. La cause fondamentale de la circulation atmosphérique est le réchauffement différentiel de la planète : L’air chaud est transféré de l’équateur vers les pôles; L’air froid est transféré des pôles vers l’équateur.

45 Résumé Le modèle à une cellule suppose : Le modèle à trois cellules
Une surface uniforme d’eau Le rayonnement solaire est perpendiculairement à l’équateur La Terre ne tourne pas autour de son axe Le modèle à trois cellules La Terre est en rotation autour de son axe = trois cellules (Hadley, Ferrell, Polar) Formation de ceintures de hautes et basses pressions alternativement (avec une ceinture de basses pressions à l’équateur) Des ceintures de vents de direction différente en commençant par des vents de NE au nord de l’Équateur et SE au sud.

46 Résumé (suite) Les vents et la pression à la surface
Centres de haute et basse pression semi permanents Circulation générale et patrons de précipitation Pluvieux où l’air monte (dépressions à la surface) Régions sèches ou même désertiques où l’air descend (anticyclones à la surface) 46

47 Résumé (suite) Écoulement moyen et pression en altitude
Le gradient de température sud – nord et le gradient de pression en altitude est à l’origine des vents Ouest – Est, surtout où les gradients sont le plus élevés : aux latitudes moyennes. Formation des courants-jet : des forts vents de nd à l’altitude de km, des rubans entourant la planète de milliers kilométres de longueur et de 100 km de largeur et quelques kilomètres de hauteur. Courant-jet polaire et courant jet sous tropical. 47

48 Comment faire de la Météo
Entourez votre planète d’une fine couche d’air Exposez-la au Soleil Faite tourner la planète autour d’un axe Additionnez un peu d’eau (autrement comment avoir la précipitation?) Pour avoir de la variété, additionner quelques surfaces solides au milieu de la surface d’eau Eureka!

49 Conditions météorologiques
Équateur : zone dépressionnaire nuageux 30° N : zone anticyclonique ensoleillé 45° N - 60° N : zone dépressionnaire nuageux Latitudes polaires : Clair Les différentes zones varient annuellement de 10° à 15° N-S à cause de la variation saisonnière de l'inclinaison du soleil. Les images satellitaires montrent fréquemment une répartition des nuages en accord avec la description ci-dessus.

50 L’intensité du vent versus le gradient de pression
FIGURE 8.25 The isobars and contours on an upper-level chart are like the banks along a flowing stream. When they are widely spaced, the flow is weak; when they are narrowly spaced, the fl ow is stronger. The increase in winds on the chart results in a stronger Coriolis force (CF), which balances a larger pressure gradient force (PGF). Plus les isobares de pression sont proches, plus le vent est important. Et la direction?

51 Force de Coriolis Vu du sol B 3 "A" lance directement une balle vers "B" pendant que le carrousel tourne. Du sol, la trajectoire de la balle est rectiligne mais vue du carrousel, elle est courbée vers la droite et pour cela, "B" n'arrivera pas à attraper la balle. Du carrousel, il faut donc considérer l'action du lancer, mais aussi celle de rotation du carrousel (force de Coriolis) pour expliquer la trajectoire de la balle. 2 1 A Vu du carrousel B 3 2 1 Vitesse (Action du lancer) Force de Coriolis A