Alimentés en énergie par l’ensoleillement, soumis aux lois de la mécanique des fluides, les mouvements de l’air sont moins aléatoires qu’ils peuvent paraître. Par ailleurs, la Terre tournant autour de son axe, les grandes masses fluides comme l’air de l’atmosphère sont soumises à une force un peu étrange car insensible à l’échelle humaine : la force de Coriolis. Ces contraintes imposent l’organisation bien particulière de la circulation de l’air à grande échelle autour de notre planète, dont ce texte tente de d’esquisser les grandes lignes.

Les vents alizés, le courant d’est équatorial et la cellule de Hadley  

Dans les régions tropicales surchauffées l’air est plus léger qu’ailleurs. Comme la fumée sortant d’une cheminée, il s’élève vers le haut de l’atmosphère et aspire celui situé tout autour, engendrant ainsi des vents qui convergent vers l’équateur et qui sont influencés par la force de Coriolis. Ces vents sont appelés les alizés. L’air venant du nord est dévié vers la droite, celui venant du sud l’est vers la gauche. Leur convergence au voisinage du sol ou de la mer (voir Figure 1, gauche) engendre le courant d’est équatorial, vent régulier, relativement lent puisque sa vitesse est de l’ordre de 20 km/h, mais qui fut suffisant pour pousser les goélettes de Christophe Colomb vers les Antilles et le Venezuela.  Cette régularité des Alizés apporte quelques jours de navigation sure et efficace aux marins du Vendée Globe, avant qu’ils affrontent les Mers du Sud et leurs vents tempétueux.

Dans sa lutte contre la gravité le courant ascendant ne parvient pas à dépasser l’altitude de la tropopause, voisine de 15 km dans les régions tropicales, mais son débit doit être conservé. Ceci n’est possible que si sa trajectoire se courbe sous la forme de vents horizontaux orientés, soit vers le nord, soit vers le sud, selon l’hémisphère. Bien avant qu’ils atteignent les pôles, la Terre en rotation autour de son axe se dérobant vers l’ouest, ces vents sont systématiquement déviés vers l’est, dans l’hémisphère nord comme dans l’hémisphère sud. Ces mécanismes imposent ainsi à la circulation atmosphérique dans les régions tropicales la structure en hélice illustrée sur la partie droite de la Figure 1, connue sous le nom de cellule de Hadley.

Cellules polaires et cellules de Ferrel

Dans les régions polaires une circulation convective analogue à la cellule de Hadley est imposée par la chute de l’air froid, asséché et alourdi, qui arrive du haut de la troposphère, plus mince à cette latitude (environ 7 à 8 km) qu’aux latitudes tropicales (environ 15 km). Or la force de Coriolis est maximale près des pôles, de sorte que son influence est nettement plus grande que sur la cellule de Hadley. C’est pourquoi la recirculation de l’air au voisinage des pôles demeure contenue entre ceux-ci et les parallèles à ± 60°. Ainsi, entre les latitudes extrêmes de la cellule de Hadley (±30°) et de la cellule polaire (±60°), entraînée par leurs mouvements respectifs, apparaît la cellule de Ferrel (Figure 2), découverte par le météorologue américain dont elle porte le nom.  

Les jet streams

Dans chaque hémisphère, aux frontières entre les trois cellules convectives décrites ci-dessus, à une altitude de l’ordre de 10 km au-dessus du niveau moyen des mers, apparaissent deux vents d’ouest qui circulent tout autour de la planète en ondulant au voisinage de leur latitude moyenne. Ces vents sont souvent désignés par leur nom anglais, les jet streams. Ils ont été découverts par le météorologue japonais Oishi Wasaburo en 1920 et décrits dans un rapport écrit en esperanto de façon à ce qu’il soit accessible à un grand nombre de lecteurs. Contrairement au lent courant d’est équatorial, le jet stream polaire est très rapide (vitesse entre 100 et 300 km/h) et très turbulent. Ce sont ses instabilités qui sont responsables d’arrivées d’air froid issu des régions polaires jusque dans les régions tempérées d’Europe. Au contraire, le jet stream subtropical est lent (50 à 100 km/h) et beaucoup plus stable.

Dépressions et cyclones

Les instabilités et la turbulence de l’atmosphère s’accompagnent systématiquement de variations de pressions qui peuvent être importantes. Au niveau de la mer la pression atmosphérique normale est de 1013 hPa. Les plus hautes valeurs peuvent atteindre 1040 hPa, elles apparaissent dans les anticyclones qui constituent de vrais obstacles contournés par les vents. La pression peut aussi baisser jusqu’à 900 hPa (voir l’échelle de Saffir-Thompson sur le tableau joint) dans les dépressions et les cyclones où les vents peuvent être violents et où d’importants nuages sont présents puisque la faible pression entraîne une condensation de la vapeur d’eau.  

Même si le lieu et le moment où une dépression se forme sont aléatoires, la structure dépressionnaire possède une organisation bien caractéristique. Puisque la pression est plus élevée à l’extérieur qu’à l’intérieur, au niveau du sol ou de la mer l’air est poussé vers l’intérieur.  Dans l’hémisphère nord la force de Coriolis ajoute une déviation systématique vers la droite. En se combinant, ces deux effets dévient vers la droite les trajectoires qui entrent dans cette dépression, et la combinaison de ces deux effets engendre une rotation de toute la dépression, formant ainsi un gigantesque tourbillon, qui tourne dans le même sens que la Terre, le sens cyclonique. Ainsi peut apparaître, à des échelles horizontales de l’ordre de 200 à 1000 km, une sur-rotation qui s’ajoute à la rotation de la planète. Plus la dépression est creuse, plus les vents sont violents. Le plus haut niveau est celui d’un cyclone de catégorie 5, où la vitesse du vent dépasse 240 km/h, qui provoque de véritables catastrophes en arrachant les arbres et en détruisant toutes les constructions légères.      

Dans toute dépression, l’air venant du nord s’oppose à celui venant du sud, l’air venant de l’ouest s’oppose à celui venant de l’est, et tous ces mouvements resserrent la région centrale, où une remontée locale de la pression apparaît avec deux conséquences. Tout d’abord, elle repousse vers le haut l’air qui arrive de toutes les directions horizontales et qui n’a pas d’autre issue. Par ailleurs, comme toute compression d’un gaz, elle s’accompagne nécessairement d’un dégagement de chaleur qui allège l’air situé près de l’axe. Ces deux nouveaux effets forment une sorte de cheminée verticale dotée d’un tirage significatif. Un tel mouvement, ascensionnel au centre et bien sûr redescendant en périphérie avec les précipitations, s’ajoute à la rotation due à la force de Coriolis. La circulation de l’air dans les grandes dépressions se compose donc de deux grands circuits, d’une part la rotation cyclonique dans des plans horizontaux, d’autre part l’ascension au centre et la descente à la périphérie.  

Lorsqu’une telle dépression arrive sur une mer chaude, recevant encore plus de chaleur l’air devient de plus en plus léger et le tirage de la cheminée encore plus efficace. Puisque la température et la pression sont plus élevées qu’alentour, les gouttelettes en provenance des nuages situés à la périphérie peuvent s’évaporer. Quand cette évaporation est totale, l’air opaque venu des nuages redevient transparent localement. C’est ainsi que se forme l’œil du cyclone au voisinage de l’axe. Cet œil est limité par une frontière assez nette appelée le mur de l’œil, au voisinage de laquelle est localisée  l’ascension de l’air dans une trajectoire en hélice.    

Si l’image de la Figure 4 met bien en évidence l’organisation structurée d’un cyclone, celle de la Figure 5 suggère l’effroi devant la puissance destructrice d’un tel phénomène. Puisque cette puissance est liée à la température de la mer, qui ne cesse de croître depuis le 20^e siècle, on peut craindre que ces catastrophes deviennent de plus en plus graves.

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Ce texte est tiré de plusieurs articles publiés dans encyclopedie-environnement.org, principalement les quatre suivants :

• La circulation atmosphérique : son organisation et Les jet streams de René Moreau, Professeur émérite à Grenoble-INP, Laboratoire SIMaP (Science et Ingénierie des Matériaux et des Procédés), membre de l’Académie des sciences et de l’Académie des technologies
• Cyclones tropicaux : développement et organisation et Cyclones tropicaux : impacts et risques de Frank Roux, Professeur à l’Université Paul Sabatier, Laboratoire d'Aérologie, Toulouse

Ce travail a été réalisé grâce au soutien financier d'UGA Éditions dans le cadre du programme "Investissement d'avenir", et de la Région Auvergne Rhône-Alpes.

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