Mots clés : vent thermique, circulation atmosphérique, stratosphère, équateur thermique, jet tropical, effet Coriolis, gradient thermique méridien

L'orientation des vents stratosphériques

Vincent Daniel

Laboratoire de météorologie dynamique du CNRS

Marie Antoinette Mélières

Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l'Environnement de Grenoble

Benoît Urgelli

ENS Lyon / DGESCO

13/11/2000

Résumé

Description des mouvements atmosphériques zonaux et méridiens dans la stratosphère.


Question

« Regardant la dispersion des aérosols du Pinatubo, nous avons pensé que les vents strastosphériques sont uniquement orientés Est-Ouest ( dans le même sens que la rotation de la Terre) et non Nord-Sud. Ceci expliquerait la dispersion limitée à une bande environ intertropicale. La rotation de la Terre pourrait-elle alors être responsable de ces vents ? »

Question provenant du Laboratoire SVT La Martinière, de Lyon, le 26 novembre 1999, par courrier électronique.

Réponse

En résumé

Les vents troposphériques et stratosphériques sont zonaux (suivant un parallèle) et méridiens (suivant un méridien). Au-dessus de l'équateur thermique (là où les rayons du Soleil sont perpendiculaires à la surface), les mouvements zonaux vont toujours de l'Est vers l'Ouest. Quand on s'éloigne de part et d'autre de cet équateur (vers les latitudes plus élevées), il y a une transition progressive donnant lieu en haute atmosphère à une circulation inversée violente : ce sont les « jets » tropicaux d'Ouest en Est (vents violents).

La position de l'équateur thermique changeant avec les saisons (oscillation Nord-Sud), il est possible de se trouver, par exemple à la latitude de 10°, avec une injection en haute atmosphère (20-30 km), qui selon la saison se retrouve dans des vents soit Est-Ouest , soit Ouest-Est. Dire que le sens des vents résulte de la rotation de la terre est toujours vrai (effet Coriolis). Les jets tropicaux qui circulent d'Ouest en Est sont aussi une conséquence de l'effet Coriolis.

Les mouvements méridiens, qui répartissent la chaleur de façon globale, sont faibles dans la troposphère et dans la stratosphère par rapport aux mouvements zonaux. Mais dans la troposphère, les mouvements méridiens sont relativement plus forts que dans la stratosphère.

Plus en détails

Les vents stratosphériques Est-Ouest (vents zonaux)

Dans la basse stratosphère (12 à 15 km), la structure des vents est proche de celle de la haute troposphère. Elle est dominée par la présence des courants jets. Les jets à 30°N et 30°S sont des courants d'Ouest (vers l'Est) et sont dus à la force de Coriolis qui dévie les particules allant de l'équateur vers le pôle Nord vers la droite (dans l'hémisphère Nord). On peut tenir le même raisonnement dans l'hémisphère Sud mais, dans ce cas, Coriolis dévie vers la gauche. Comme les particules vont de L'équateur vers le pôle Sud, on retrouve bien un jet d'Ouest. Le jet de l'hémisphère d'hiver est plus fort. En effet, la cellule de Hadley, qui transporte de l'énergie depuis l'équateur vers les pôles, est plus forte car il y a un plus grand déficit en énergie dans le pôle d'hiver. Ces courants jets sont ainsi utilisés par les avions pour rentrer des États-Unis, mais pas pour y aller ! Ils ont des effets climatiques importants en contrôlant par exemple la mousson indienne (entrée d'air humide sur le continent indien).

Dans la stratosphère moyenne (30 à 80 km), la circulation est marquée par 2 forts jets (plus de 200 km/h) situés vers 65 km d'altitude. Celui de l'hémisphère d'hiver est d'Ouest (vers l'Est) alors que celui de l'hémisphère d'été est d'Est. La relation dite du « vent thermique » permet de comprendre ce phénomène. Cette relation dit que si l'on a un gradient méridien de température, il lui sera associé un cisaillement (gradient vertical) du vent zonal (et vice-versa). À altitude constante, la température diminue en allant vers le Nord. Quant au vent zonal, il va augmenter avec l'altitude. Ainsi, dans la stratosphère, aux environs de 50 km d'altitude, on a un fort gradient méridien de température. En hiver, on a un gradient méridien de température négatif, donc si l'on part d'un vent quasi nul à 40 km d'altitude, on aura un jet d'Est au Sud et un jet d'Ouest au Nord vers 60 km d'altitude. En été, c'est donc l'inverse.

Retenez simplement que dans la haute stratosphère et dans l'hémisphère Nord en hiver, on a un gradient méridien de température négatif. Donc on aura un gradient vertical positif du vent zonal et donc un jet d'Ouest. À la même saison dans l'hémisphère Sud, on a aussi un gradient méridien positif (mais cela signifie que le pôle est plus chaud que l'équateur !!), et comme le paramètre de Coriolis est inverse dans l'hémisphère Sud, on se retrouve avec un gradient vertical négatif pour le vent zonal et donc un jet d'Est dans l'hémisphère Sud. Comme on peut le constater, la rotation de la Terre n'entre pas directement en jeu comme c'est le cas dans l'existence de la cellule de Hadley, mais on retrouve la présence du paramètre de Coriolis dans l'expression du vent thermique !

Les vents méridiens dans l'atmosphère

Dans l'atmosphère, les mouvements méridiens (suivant un méridien) sont toujours plus faibles que les mouvements zonaux (suivant un parallèle).


Ceci est vrai dans la troposphère et encore plus dans la stratosphère. Dans la troposphère, les mouvements méridiens sont plus forts que dans la stratosphère. L'existence de ces différentes circulations troposphérique et stratosphérique permet de mieux comprendre et de prévoir la dispersion des polluants dans les enveloppes de l'atmosphère terrestre.

Vincent Daniel, Laboratoire de météorologie dynamique du CNRS

Marie Antoinette Mélières, Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l'Environnement de Grenoble

Mots clés : vent thermique, circulation atmosphérique, stratosphère, équateur thermique, jet tropical, effet Coriolis, gradient thermique méridien