Escale 3 : Comment se forme le vent ?

La circulation générale de l’air

L’atmosphère a un rôle de protection pour la Terre. La couche d’ozone, située à 25 - 30 kilomètres d’altitude, s’oppose à la pénétration des rayons solaires UV très nocifs pour les êtres vivants.
Le rayonnement solaire pénétrant dans l’atmosphère apporte une partie de son énergie à la surface terrestre.
Dans la troposphère, les nuages jouent un rôle d’écran permettant à une plus ou moins grande quantité d’énergie solaire d’atteindre le sol.

Certaines régions du globe reçoivent plutôt un excédent d’énergie et donc se réchauffent (régions équatoriales) et d’autres au contraire possèdent un déficit en énergie et se refroidissent (régions polaires).Le mécanisme des saisons joue un rôle important dans la répartition de l’énergie solaire.

Les différences de durée journalière d’éclairement d’un point de la terre permettent de délimiter à la surface de la terre :

  • Une zone polaire, située au-delà de 60°S et 60°N, systématiquement défavorisée sur le plan énergétique. Dans cette zone, les jours ou les nuits, peuvent durer plusieurs mois selon les saisons.
  • Une zone tempérée, située entre 30°N et 60°N ou 30°S et 60°S, soumise à un régime intermédiaire et connaissant notamment des variations saisonnières marquées.
  • Une zone intertropicale, comprise entre 30°S et 30°N, dans laquelle l’apport d’énergie solaire est important et sensiblement constant.

L’échelle colorimétrique utilisée pour les photographies en infra rouge permet de distinguer les différentes zones de température au niveau de la terre et des océans. Pour les nuages, la couleur va être fonction de l’altitude respective de leurs sommets. Les nuages les plus élevés sont les plus froids.
Les océans représentent 70% de la surface terrestre. Ils jouent également un rôle très important dans le transport d’énergie des zones équatoriales vers les pôles.

L’atmosphère dispose de l’énergie accumulée dans les océans dès qu’il y a condensation de la vapeur d’eau (provenant de l’évaporation de l’eau de mer).
La conduction (dans ce cas, réchauffement de l’air contenu dans les basses couches par contact avec la surface de l’océan) joue aussi un rôle dans ces transferts.

 

La circulation atmosphérique

La circulation générale découle à la fois de la rotation de la Terre (1670 km/h) et du déséquilibre énergétique entre les pôles et la zone intertropicale.
L’atmosphère n’est pas immobile, l’air se déplace autour du globe. L’air surchauffé à l’équateur va se déplacer pour venir réchauffer l’air refroidi des pôles.

Dans les régions polaires, entre 60° et 90° de latitude, les vents sont de secteur Est (Nord Est dans l’hémisphère Nord et Sud Est dans l’hémisphère Sud).

Dans la zone tempérée, comprise entre 60° (dépression subpolaire) et 30° (anticyclone subtropical), les vents d’Ouest sont les plus fréquents (Sud Ouest dans l’hémisphère Nord, Nord Ouest dans l’hémisphère Sud). Cette zone est favorable au développement des perturbations.
Des zones de calme se situent au niveau des Anticyclones des Açores (30°N) et de Sainte Hélène (30°S). Elles sont appelées les Horses latitudes.

Dans la zone intertropicale, située entre les anticyclones subtropicaux (Anticyclone des Açores et Anticyclone de Sainte Hélène) et l’équateur, la circulation se fait dans le sens Est – Ouest de manière permanente. Elle se traduit par des vents de secteur Est appelés les alizés et par la présence de Cumulus. Dans cette zone, des cyclones se développent régulièrement en fin d’été.
Dans l’hémisphère Nord, les alizés sont de secteur Nord Est alors que dans l’hémisphère Sud, ils sont de secteur Sud Est. Cette variation de direction est due à la force de Coriolis.

La force de Coriolis est induite par la rotation terrestre.
Elle contribue à dévier un courant aérien vers sa droite dans l’hémisphère Nord et vers sa gauche dans l’hémisphère Sud.
On observe que cette force s’annule et change de sens quand on change d’hémisphère (passage de l’équateur). Cette force joue un rôle essentiel dans l’écoulement atmosphérique horizontal.
La force de Coriolis est nulle à l’équateur. Elle augmente quand on se rapproche des pôles (où elle est maximale).

La zone de rencontre des alizés du Nord Est et du Sud Est donne naissance à une grande bande nuageuse appelée l’équateur météorologique ou ZCIT (Zone de Convergence Intertropicale).
Elle correspond à une zone de vents irréguliers, de faible visibilité et d’orages (Cumulonimbus à très fort développement vertical (jusqu’à 16 kilomètres d’épaisseur). Les marins appellent cette zone «le pot au noir».
C’est une source considérable d’énergie qui est transférée verticalement par les forts mouvements ascendants se produisant dans les Cumulonimbus, puis horizontalement par les grands mouvements atmosphériques de la haute troposphère (jet stream).

L’équateur météorologique correspond à une zone de basse pression relative.
Sa position en latitude varie au cours de l’année. Il peut s’écarter de plus de 20° de latitude par rapport à l’équateur géographique. Il atteint sa position extrême en août et en février, l’inertie thermique des océans entraînant un décalage de deux mois par rapport aux solstices d’été et d’hiver.
Les amplitudes les moins importantes correspondent à la présence d’océans de part et d’autre de l’équateur géographique.
Quand un continent est situé de part et d’autre de l’équateur (Amérique du Sud, Afrique centrale), les effets thermiques (réchauffement et refroidissement) et les influences de la végétation se font ressentir. La forêt amazonienne est très humide, la végétation a en ce qui concerne l’évaporation les mêmes comportements qu’une étendue maritime.
Quand un continent fait face à un océan, une circulation atmosphérique puissante appelée la mousson se déclenche.

 

Les moussons

Les moussons jouent un rôle très important dans les équilibres énergétiques à l’échelle planétaire.
Elles assurent 50% des transferts méridiens (Nord – Sud ou Sud – Nord) entre les régions intertropicales et les latitudes moyennes.Les moussons sont des brises thermiques à grande échelle.

  • La mousson indienne

La mousson d’été
De juin à septembre, un puissant anticyclone thermique s’établit sur la partie Sud de l’océan Indien. L’océan garde une température stable relativement basse, le continent indien est surmonté par de l’air chaud de faible densité soumis à des mouvements ascendants et associé à une zone de basse pression (dépression thermique).
Dans l’hémisphère Sud, les alizés de Sud Est vont traverser l’équateur en subissant une déviation vers la droite (force de Coriolis) et vont s’orienter Sud Ouest dans l’hémisphère Nord. Un violent conflit oppose l’air océanique chargé d’humidité et l’air chaud et sec d’origine continentale. Cette mousson s’accompagne de fortes précipitations.

La mousson d’hiver
De décembre à mars, la mousson d’hiver s’installe, les précipitations sont moins abondantes. L’anticyclone thermique situé sur la Mongolie couvre toute l’Asie. Il génère une mousson de Nord Est.
En traversant l’équateur, le vent est dévié vers la gauche par la force de Coriolis et s’oriente Nord Ouest.
La zone de rencontre entre les alizés de Sud Est et les alizés de Nord Ouest correspond à la ZCIT et se situe entre 5°S et 15°S.

  • La mousson africaine

La moitié Ouest de l’Afrique est aussi soumise à la mousson. La ZCIT s’appelle le FIT (Front Intertropical de convergence) et matérialise la zone de conflit entre des masse d’air de caractéristiques très différentes.
Un vent de Nord Est très sec (l’harmattan) affronte un alizé dévié et humide provenant de l’hémisphère Sud.

 

Les dépressions et les anticyclones (X)

La pression atmosphérique correspond au poids de la colonne d’air de section unité s’étendant depuis le point de mesure jusqu’à la limite supérieure de l’atmosphère.Elle se mesure avec un baromètre, l’unité est l’hecto Pascal (hPa).

La valeur de la pression moyenne au niveau de la mer est de 1013,25 hPa. Dans nos régions elle peut varier entre 950 hPa et 1050 hPa.
La pression varie en fonction de l’altitude, elle décroît de 1hPa tous les 8 mètres dans les basses couches (et de 1hPa tous les 60 mètres à 16 kilomètres d’altitude).

La pression atmosphérique varie en fonction du lieu de mesure.
Les régions où la pression présente un minimum relatif correspondent aux dépressions, les régions où la pression présente un maximum relatif correspondent aux anticyclones.
Les dépressions et les anticyclones sont appelés des centres d’action.

Les valeurs de pression enregistrées dans différentes zones géographiques sont notées sur des cartes appelées cartes isobariques.
Les stations de relevés n'étant pas à la même altitude, on calcule quelle serait la pression si les stations étaient au niveau de la mer et on reporte les pressions corrigées (pression au niveau de la mer) sur la carte.
On relie les points d'égale pression par une ligne appelée isobare.
Les isobares sont tracées de 5hPa en 5hPa.
On peut ainsi visualiser les dépressions (D) et les anticyclones (A).

Une dépression correspond à une zone de basses pressions, un anticyclone correspond à une zone de hautes pressions.
Quand les isobares se referment sur un même centre et que ce centre a une pression atmosphérique inférieure à la pression atmosphérique "périphérique", on est en présence d'une dépression.
A l'inverse si ce centre a une pression atmosphérique supérieure c’est un anticyclone.

La pression atmosphérique influe sur la hauteur de l’eau.
Ces photographies, prises en Méditerranée, illustrent parfaitement les variations du niveau de la mer.

Dans des conditions anticycloniques, le niveau de la mer est bas.

A l’inverse, dans un régime dépressionnaire, le niveau est haut.

Grâce aux renseignements fournis par les ballons sondes, on peut établir des cartes de pression en altitude (cartes isohypses).
Sur ces cartes, on reporte les niveaux d’altitude (géopotentiel) correspondant à une pression fixe. Pour une pression de 500 hPa, l’altitude moyenne est de 5560 mètres. Les isohypses sont tracés de 40 mètres en 40 mètres ou de 60 mètres en 60 mètres en fonction des cartes.
Sur ce type de carte, on n’indique pas des zones de hautes ou de basses pressions (anticyclone ou dépression) mais des zones de haut (H) ou de bas géopotentiel (B).

 

Le vent synoptique (X)

L’air n’est pas immobile. Une particule atmosphérique est soumise à un certain nombre de forces (poids, force de Coriolis, force de frottement…).
La résultante de toutes ces forces, d’intensités et de directions différentes, déclenche le mouvement de la particule. Elle est représentée par le vecteur vent.

L’ensemble des particules se déplaçant à un instant donné, représente la circulation générale atmosphérique.
Cette circulation présente un certain nombre de caractéristiques dont une importante est la règle de Buys Ballot.

La règle de Buys Ballot
Les déplacements horizontaux sont orientés à peu près parallèlement aux lignes isobares et isohypses de telle sorte qu’ils laissent les basses pressions ou les zones de bas géopotentiel sur leur gauche dans l’hémisphère Nord et sur leur droite dans l’hémisphère Sud.
Dans les basses couches, le vecteur vent est tangent aux lignes isobares. Ceci est du aux forces de frottement (sol). En atmosphère libre, le vecteur vent est parallèle aux lignes isohypses car il n’y a pas de frottements.

Dans l’hémisphère Nord, quand on se place face au vent, la zone de basses pressions (dépression) se situe toujours à droite, la zone de hautes pressions (anticyclone) se trouve à gauche.

L’intensité du vent dépend de la répartition géographique de la pression.
L’étude d’une carte isobarique permet de déterminer la force du vent :

  • Des isobares très proches correspondent à des vents forts.
  • Des isobares espacées ou mal organisées (marais barométrique) correspondent à des vents faibles ou de direction variable.

L'air provenant des anticyclones (zone de hautes pressions) se dirige vers les dépressions.
Ce mouvement ne se fait pas en ligne droite car la terre tourne sur elle-même. La trajectoire du vent est déviée vers la droite dans l'hémisphère Nord et vers la gauche dans l'hémisphère Sud. Cette déviation est due à la force de Coriolis.
Dans l'hémisphère Nord, le vent sort des anticyclones et tourne autour dans le sens des aiguilles d'une montre. Il rentre dans les dépressions en tournant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.
En observant les lignes isobares sur une carte météo, on peut connaître la direction du vent.

La direction du vent est exprimée en degré (entre 0° et 360°). Il y a 36 directions possibles représentées sur la rose des vents (graduation tous les 10°).

L’échelle de Beaufort
La vitesse du vent est exprimée en nœuds (1 nœud = 1852 mètres par heure) ou en force Beaufort.
En 1806, l’amiral Beaufort a inventé un système de graduation de la force du vent en tenant compte de la vitesse du vent, de son influence sur l’état de la mer et sur le milieu terrestre.
Cette échelle, appelée l’échelle de Beaufort, est graduée de 0 à 12.

L'échelle de Beaufort