29 notions-clefs : la physique du climat

Climats et circulation générale
Auteurs : Jean-louis Dufresnes(plus d'infos)
Résumé :
Chapitre issu de l'ouvrage "29 notions clefs pour savourer et faire savourer la science - primaire et collège", paru aux éditions Le Pommier en août 2009.
Publication : 7 Mai 2014

Climat sec, climat humide

La répartition géographique de la végétation naturelle dans les tropiques est extrêmement contrastée. Les régions équatoriales qui s’étendent de 10° sud à 10° nord sont couvertes de forêts très denses qui prospèrent dans un climat chaud et humide. En s’éloignant de l’équateur, on trouve entre 20° et 30° de latitude nord et sud des déserts, de la steppe désertique ou de la savane sèche. Dans l’hémisphère Nord, ce sont le Mexique, l’Arizona, le Sahara, le désert d’Arabie, l’Iran, le Pakistan, le désert de Gobi en Chine, et, dans l’hémisphère Sud, l’Australie et le sud de l’Afrique. Pourquoi une telle répartition géographique ? Pourquoi passe-t-on si brutalement d’un climat très humide à un climat très sec vers 20° de latitude nord et sud ? Nous allons fournir une explication à partir des différents phénomènes physiques présentés précédemment.
Répartition géographique de la végétation naturelle. On remarque les régions désetiques, situées de part et d’autre de la bande équatoriale dont la végétation est dense et luxuriante.
© CNES/SMSC

Les régions tropicales sont celles qui reçoivent le plus d’énergie solaire et qui sont les plus chaudes. Dans ces régions, la convection atmosphérique est intense. Elle est à l’origine de la cellule de Hadley qui est décrite par une zone d’ascendance au-dessus de l’équateur et par deux zones de subsidence vers 30° nord et sud. Dans la zone d’ascendance (également appelée « zone de convergence intertropicale »), l’air chaud monte et, comme la pression diminue, se refroidit. La vapeur d’eau se condense et ainsi se forment de gros cumulo-nimbus, qui peuvent, comme nous l’avons vu, atteindre plus de 10 km de haut et génèrent des pluies très importantes. Sur mer, cette région est bien connue des marins qui l’ont surnommée « pot au noir ». Leurs bateaux peuvent rester encalminés plusieurs jours dans cette région, sous un déluge d’eau et en proie à des vents faibles et changeants. Cette zone d’ascendance n’est pas située en permanence à l’équateur géographique, mais se déplace avec les saisons, avec l’ensoleillement maximal. Elle se déplace au nord pendant l’été boréal (juin-août) et au sud pendant l’été austral (décembre-février). Sur les océans, cette migration est réduite à cause de la forte inertie thermique, le vent mélangeant l’eau sur plusieurs dizaines de mètres. Sur Terre, cette zone d’ascendance suit davantage la position du Soleil, et son passage correspond à la saison des pluies.

L’air qui s’élève dans la zone de convergence intertropicale se refroidit ; de la vapeur d’eau se condense et une partie de cette eau est éliminée sous forme de pluie. Au fur et à mesure que l’air s’élève en altitude, il y reste de moins en moins de vapeur d’eau. Une fois en altitude, l’air s’éloigne ensuite de l’équateur et va descendre dans les régions de subsidence situées aux environs de 30º nord et sud. Lors de cette descente, la température de l’air augmente du fait de l’augmentation de pression, interdisant ainsi toute possibilité à la vapeur de se condenser et de donner naissance à de la pluie. D’où les zones désertiques situées dans ces régions. Comme la zone d’ascendance, la zone de subsidence se déplace avec les saisons.
La mousson indienne d’été. L’air s’élève au-dessus du continent indien surchauffé, générant des pluies importantes. L’aspiration d’air crée des vents d’ouest en est sur l’océan Indien.

Un petit changement de ces déplacements dû à une modification aléatoire de la circulation générale atmosphérique peut avoir des conséquences dramatiques pour les zones à la limite des déserts, comme au Sahel dans les années 1970 à 1985.
Les zones de subsidence entraînent une valeur de la pression au sol plus élevée que la moyenne, d’où la présence d’une ceinture de haute pression (anticyclone) tout autour du globe, vers 30° nord et sud. Dans l’Atlantique Nord, c’est le fameux anticyclone des Açores. Nous venons de voir que les zones de subsidence sont des régions sans pluie et sans nuage, ce qui justifie qu’en été, en France, on soit si attentif à la présence de cet anticyclone pour avoir des vacances ensoleillées.
Cet effet d’assèchement est également présent derrière les grandes chaînes de montagnes (les Andes, les Rocheuses, l’Himalaya). L’air qui se refroidit en montant pour franchir ces montagnes donne naissance à des précipitations. Une fois la montagne franchie, l’air descend, s’échauffe et le peu de vapeur d’eau qui reste ne peut plus se condenser pour former des pluies. Lorsque la direction des vents est toujours la même, un côté du massif montagneux est très humide, tandis que l’autre est très sec. C’est le cas du massif des Andes toujours soumis au flux de vents d’ouest venant du Pacifique. Le franchissement d’un massif montagneux par de l’air peut également produire un réchauffement important (c’est, par exemple, le vent appelé « foehn » dans les Alpes). Nous avons vu précédemment que l’air humide se refroidit avec l’altitude d’environ 5 ºC/km, tandis que l’air sec subit un changement de température d’environ 10 ºC/km. Ainsi, si de l’air humide franchit une montagne de 1 000 m de haut, cet air se refroidira de 5 ºC pendant son ascension, mais se réchauffera de 10 ºC lors de sa descente, puisqu’il est maintenant sec, d’où un réchauffement final de 5 ºC !

Circulation générale

Dans les mouvements de l’air que nous avons décrits jusqu’à présent, nous n’avons pas pris en compte le fait que, comme toutes les autres planètes, la Terre tourne sur elle-même.
Or cette rotation a une conséquence surprenante, démontrée au début du xixe siècle par Gustave Coriolis : tout corps qui se déplace à la surface de la Terre subit une force qui dépend de sa latitude (nulle à l’équateur, maximale aux pôles) et de sa vitesse de déplacement par rapport à la Terre (cette force augmente avec la vitesse). Dans l’hémisphère Nord, les corps sont déviés vers la droite par rapport à leur mouvement, tandis que, dans l’hémisphère Sud, ils sont déviés vers la gauche.
Cette découverte fut largement popularisée à travers le pendule que le physicien français Léon Foucault fit installer en 1851 sous la coupole du Panthéon et que de nombreux Parisiens vinrent voir. Le pendule, au lieu de suivre toujours la même trajectoire, tourne légèrement sur lui-même à cause de la rotation terrestre. Un tel pendule est, par exemple, visible au palais de la Découverte, à Paris.
Dès que l’on s’éloigne de l’équateur, la force de Coriolis joue un rôle clef dans la circulation atmosphérique et océanique. En Europe de l’Ouest, par exemple, le climat est dominé par l’influence des dépressions qui nous viennent de l’océan Atlantique ; l’existence et l’évolution de ces dépressions sont directement liées à la force de Coriolis. Si caractéristique des moyennes latitudes, cette circulation atmosphérique ne sera pas abordée ici. Nous ne nous intéresserons qu’aux régions équatoriales et aborderons rapidement les liens entre la circulation de Hadley, déjà évoquée, et les vents d’alizés.
Par rapport à la circulation de Hadley, telle que nous l’avons présentée précédemment, la force de Coriolis a pour effet, dès que l’on s’éloigne de l’équateur, de dévier l’air vers la droite dans l’hémisphère Nord, vers la gauche dans l’hémisphère Sud.
Pour illustrer les raisons physiques de ces déviations, nous allons utiliser l’analogie avec une figure connue des danseurs et des patineurs : l’artiste tourne d’abord lentement sur lui-même, membres écartés, puis se met à tourner de plus en plus vite au fur et à mesure qu’il se ramasse sur lui-même. Cette augmentation de la vitesse de rotation est due à la conservation du moment cinétique et a un lien direct avec l’existence de la force de Coriolis (voir aussi le chapitre Les mouvements de la Terre, page 35). Si vous n’êtes ni danseur ni patineur, vous pouvez essayer de réaliser cette expérience assis sur une chaise pivotante.
Appliquons ce principe à l’atmosphère. Avec la circulation de Hadley, en altitude, l’air va des régions équatoriales vers les régions de subsidence. Les régions de subsidence, situées vers 30° nord et sud, sont plus près de l’axe de rotation de la Terre que les régions équatoriales. Quand l’air qui s’est élevé au-dessus de l’équateur se dirige vers les régions de subsidence, il se rapproche donc de l’axe de rotation de la Terre.
On peut alors faire l’analogie avec le danseur qui se ramasse sur lui-même et tourne de plus en plus vite. Si l’air tourne à la vitesse de la Terre à l’équateur, l’air tournera plus vite que la Terre, en altitude, au-dessus des régions de subsidence. Comme la Terre tourne d’ouest en est, ces forts vents d’altitude qui tournent plus vite que la Terre se déplacent également d’ouest en est par rapport à la Terre. On observe effectivement des vents d’environ 200 km/h dans ces régions, vents qui font que le trajet en avion pour aller de l’Europe vers les États-Unis ou de Chine vers l’Europe est environ une heure plus long que le vol du retour.
Près du sol, l’air revient des zones de subsidence vers l’équateur et nous sommes dans la situation symétrique de la précédente : lorsqu’il se dirige vers l’équateur, l’air s’éloigne de l’axe de rotation de la Terre, et donc sa vitesse de rotation va diminuer. Les vents se dirigent donc vers l’équateur en étant très fortement déviés vers l’ouest. Ce sont les vents d’alizés, assez forts, très réguliers et très appréciés des navigateurs. Utilisés par Christophe Colomb lors de son périple vers Cuba, ils ont ensuite largement servi aux navires de commerce (d’où le nom anglais des alizés : trade winds ou « vents du commerce »). Aujourd’hui, on en tire parti pour traverser confortablement l’Atlantique en bateau à voiles. Nous avons vu que la circulation de Hadley se déplaçait avec les saisons. La région des alizés accompagne ce mouvement : elle se déplace au nord pendant l’été boréal, au sud pendant l’été austral.

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