Pourquoi il fait plus chaud à l’équateur qu’aux pôles ?

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Le soleil est le seul moteur de la circulation atmosphérique. Sous les contraintes de la gravité, de la poussée d’Archimède et de la force de Coriolis due à la rotation de la Terre, les différences de température entre l’équateur et les pôles font circuler l’air partout dans la Terre. Cette circulation mondiale, entraînée dans les régions tropicales par les alizés, a une organisation bien définie dans chaque hémisphère : trois cellules convectives dans les plans méridiens sont associées à cinq vents le long de parallèles, le faible courant équatorial est au voisinage de l’équateur et à basse altitude, et dans chacun deux vents d’ouest de l’hémisphère, le courant-jet polaire à une latitude proche de ±60° et à haute altitude, ainsi que le courant-jet subtropical, plus lent que le premier, situé à des latitudes proches de ±30° et également à haute altitude. Dans leur mouvement, ces masses d’air transportent et redistribuent à la fois la chaleur transmise par les continents et l’humidité produite par l’évaporation au-dessus des océans.

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1. Première boucle : Hadley’s cell

Dans la région équatoriale surchauffée, qui voit le soleil à son zénith, l’air est allégé. Comme la fumée sortant d’une cheminée, elle s’élève au sommet de la troposphère (lire Atmosphère et enveloppe gazeuse de la Terre) et aspire l’air qui l’entoure, générant des vents qui convergent vers l’équateur. Lorsque la Terre tourne, ceux-ci sont affectés par la force de Coriolis. L’air venant du nord est dévié vers la droite, l’air venant du sud vers la gauche. La convergence de ces alizés au voisinage du sol ou de la mer génère le courant d’est équatorial, un vent régulier, relativement lent puisque sa vitesse est de l’ordre de 20 km/h, mais qui a suffi à pousser les goélettes de Christophe Colomb d’Espagne aux Antilles et Venezuela. Vous trouverez plus de détails sur cette zone de convergence intertropicale dans le article « Le rôle clé des alizés » sur ce site.

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Figure 1. Illustration du mécanisme moteur des alizés, de leur convergence vers l’équateur lors des équinoxes et du mouvement ascendant résultant de l’allégement de l’air surchauffé, selon Air et Eau, 2013. Le courant ascendant des alizés se charge d’humidité lorsqu’il passe au-dessus des océans. En traversant la troposphère, il se refroidit et s’assèche par condensation en haute altitude, et il perd peu à peu sa quantité de mouvement dans sa lutte contre la gravité. Il ne parvient pas à dépasser l’altitude de la tropopause, très stable, qui recouvre la troposphère comme une sorte de couvercle. Cependant, à cette altitude proche de 15 km, son débit massique doit être préservé. Cela 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, formant ainsi deux cellules convectives. George Hadley (1685-1768), un L’avocat anglais et météorologue amateur des années 1730, bien avant les travaux de Gustave-Gaspard Coriolis (1792-1843), pensait que ces courants de haute altitude étaient dirigés le long des méridiens et atteignaient les régions polaires où, refroidis et alourdis, ils pouvaient plonger vers le sol. Ce n’est pas le cas puisque, bien avant qu’ils n’atteignent les pôles, la force de Coriolis a pour effet de tordre leurs trajectoires, systématiquement vers l’est, dans l’hémisphère nord comme dans l’hémisphère sud. Cette pseudo-force (lire Le rôle clé des alizés) les empêche donc de rester dans les plans méridiens et impose une hélice atmosphérique de circulation à l’intérieur de cette cellule Hadley illustrée à la Figure 2. L’influence de la rotation de la Terre limite donc l’étendue de cette cellule de Hadley à des latitudes proches de ± 30° .

2. Plus au nord : cellules polaires et cellules de Ferrel

Figure 2. Rythme hélicoïdal des courants de la cellule de Hadley dans sa position pendant équinoxes. Le courant oriental équatorial, lent et stable, est représenté par des flèches droites. Le courant occidental ou jet stream, qui est plus rapide et plus instable, est représenté par des flèches ondulées. Basé sur Air and Water, 2013. Au-dessus des régions polaires, une circulation convective similaire à celle de la cellule de Hadley est imposée par la chute d’air froid, sec et plus lourd, qui arrive du haut de la troposphère, plus mince à cette latitude (environ 7 à 8 km) qu’aux latitudes tropicales (environ 15 km). Ou la force de Coriolis est maximale près des pôles, où l’axe de rotation de la Terre est dirigé verticalement ; par conséquent, son influence est nettement supérieure à celle de la cellule de Hadley, située à proximité de l’équateur où l’axe de rotation est au contraire presque horizontal. C’est pourquoi la circulation convective au voisinage des pôles reste contenue entre ceux-ci et les parallèles à ± 60°. Ainsi, entre les latitudes extrêmes de la cellule Hadley (±30°) et la cellule polaire (±60°), entraînée par leurs mouvements respectifs, apparaît la cellule (Figure 2) découverte par le météorologue américain William Ferrel (1817-1891), qui porte désormais son nom.

Dans chaque hémisphère, on peut noter la présence de deux régions où l’air plonge vers moulu après refroidissement et assèchement en altitude. Près des pôles, cette arrivée d’air sec entraîne la formation de déserts arctiques et antarctiques. Entre les cellules de Hadley et Ferrel, il génère la ceinture désertique située entre les tropiques et les régions tempérées : déserts du sud des États-Unis, le Sahara et le désert de Gobi dans l’hémisphère nord, le désert australien et les hauts plateaux andins dans le hémisphère sud. Au contraire, les zones d’ascendance, situées près de l’équateur pour l’une et entre la cellule polaire et la cellule de Ferrel pour l’autre, sont soumises à de fortes précipitationsFigure 3. Représentation synthétique de la circulation atmosphérique mondiale. BP : région avec dépression relative, HP : région à haute pression où le jet subtropical se dépose. Les flèches roses incurvées montrent la déviation des vents due à la force de Coriolis, vers la droite dans l’hémisphère nord, vers la gauche dans l’hémisphère sud. La troposphère n’est pas représentée à l’échelle du globe terrestre, de manière à montrer son épaisseur, presque deux fois plus grande vers l’équateur (12 à 15 km) que près des pôles (7 à 8 km) sous l’effet de la convection. Selon René Moreau, Air et eau, EDP Sciences, collection Grenoble Sciences, 2013 . En effet, dans l’air chargé d’humidité au niveau de la mer, qui se refroidit et se détend en haute altitude où la température et la pression chutent fortement, de la condensation se forme suffisamment pour provoquer de la pluie. Elles sont fréquentes et abondantes, ce qui explique à la fois la végétation luxuriante autour de l’équateur et la fertilité des sols aux latitudes tempérées.

3. Jet Streams

Dans chaque hémisphère, en dessous de la tropopause (à une altitude de l’ordre de 8 à 10 km au-dessus du niveau moyen de la mer), des deux côtés et d’autres cellules de Ferrel et à haute altitude apparaissent des vents d’ouest qui circulent tout autour de la planète oscillant à proximité d’une latitude moyenne. Fraction importante de la circulation atmosphérique, ces vents sont souvent désignés par leur nom anglais, jet stream (Figure 4) ; ils sont plus rarement appelés rubans thermiques ou jets. Ils ont été découverts par le météorologue japonais Oishi Wasaburo en 1920 et décrits dans un rapport écrit en espéranto afin qu’il soit accessible à un grand nombre de lecteurs.

Figure 4. Aspect typique des jets autour du globe, circulant d’ouest en est, à partir de la cellule de Ferrel (couleur jaune). Le jet jet polaire (couleur bleue) est le plus rapide (sa vitesse peut atteindre 300 km/h) et la plus instable des deux. Il est évité par les vols transatlantiques vers l’ouest, au contraire recherchés par les vols vers l’est. La vitesse du jet subtropical ne dépasse jamais 100 km/h. Ces vents d’ouest en est sont générés par la force de Coriolis dans les régions étroites marquées à la fois par une grande différence de température entre l’air chaud au sud et l’air froid au nord, et par de fortes différences de pression. Le mécanisme créé est expliqué dans l’article plus détaillé Jet Streams. Contrairement au courant oriental équatorial lent, le jet stream polaire est très rapide (vitesse comprise entre 100 et 300 km/h), et très turbulent, tandis que le jet des régions tropicales est encore lent (50 à 100 km/h) et plus stable. Cette différence de vitesse entre eux et par rapport au lent vent d’est équatorial provient d’un mécanisme subtil, lié à la force de Coriolis, qui n’a été comprise qu’à la fin du XIXe siècle par William Ferrel. La vitesse élevée du jet polaire et la vitesse plus le jet tropical modéré résultent de la conservation d’une quantité mécanique tout à fait spécifique aux milieux rotatifs, le moment cinétique (Les lois de la dynamique). Cette quantité mécanique est le produit de la vitesse absolue du vent, de la somme de la vitesse de la Terre et de la vitesse relative du vent par rapport à la Terre, par la distance par rapport à l’axe de la Terre. En bref, à cette altitude où le frottement au sol est négligeable, une vitesse du vent élevée est nécessaire aux latitudes les plus élevées pour compenser la distance la plus courte par rapport à l’axe de rotation de la Terre.

Cet article ne présente que l’état moyen de la circulation atmosphérique, en soulignant son organisation remarquable. En raison des changements saisonniers du zénith, de l’alternance entre les sources océaniques d’évaporation intense et des continents plus secs, mais aussi de ses propres instabilités, cette circulation atmosphérique est par ailleurs soumise à de fortes fluctuations, dont la description fait l’objet d’articles complémentaires : Le rôle clé des alizés et des jets.

4. Messages à retenir

  • L’air sous les tropiques, chauffé par le rayonnement solaire et donc allégé, s’élève au sommet de la troposphère. Ce faisant, il aspire les alizés qui convergent du nord et du sud vers l’équateur en créant le courant d’est équatorial et une ascension qui provoque la formation de la cellule de Hadley dans les plans méridiens.
  • La rotation de la Terre, modélisée par la force de Coriolis, limite l’étendue de la cellule de Hadley à des latitudes proches de 30° nord et sud. Dans la partie la plus élevée de la troposphère, l’air est détourné vers l’est, ce qui génère dans chaque hémisphère un jet subtropical relativement lent (moins de 100 km/h).
  • Entre les pôles et les parallèles de ±60°, les différences de température imposent circulation similaire à celle de la cellule de Hadley, entraînant la formation de cellules polaires où les vents à proximité du sol sont dirigés du pôle vers les régions tempérées.
  • Entre chaque cellule de Hadley et la cellule polaire du même hémisphère, apparaît par continuité la cellule de Ferrel où le vent dominant au niveau du sol est dirigé vers le pôle le plus proche.
  • Au sommet de la troposphère, la transition entre la cellule de Ferrel et la cellule polaire est significativement plus influencée par la force de Coriolis que celle entre la cellule de Hadley et la cellule de Ferrel. Cela donne naissance à des courants polaires , également orientés vers l’est. Ces jets sont rapides (de 100 à 300 km/h) et leurs trajectoires sont assez instables.

Références et notes

George Hadley, Concernant la cause des alizés généraux, Philosophical Transactions of the Royal Society, 1735, vol. 39, p. 58-62

Gaspard Gustave Coriolis, Théorie mathématique des effets du jeu de billard, Carilian-Goeury, 1835

William Ferrel, Essai sur les vents et les courants des océans, Nashville Journal of Medicine and Surgery, n°4, 1856

Oishi Wasaburo, Raporto de la Aerologia Observatorio de Tateno, Rapport 1 de l’Observatoire aérologique, Observatoire météorologique central, Japon, 1926 (enEsperanto)