Images commentées des mouvements atmosphériques terrestres

Benoît Urgelli

ENS Lyon / DGESCO

Benoît Urgelli

ENS Lyon / DGESCO

31/05/2000

Résumé

Quelques images commentées sur la circulation atmosphérique.



Sur les images en infra-rouge thermique, la distinction entre les continents et les océans se fait aisément. Si la surface n'est pas recouverte de nuages, la couleur du pixel est directement proportionnelle à la température de la surface. Les océans possèdent une forte capacité calorifique alors que les surfaces terrestres emmagasinent peu la chaleur. Les premiers ne sont pas marqués par une forte variation de leur température durant une journée alors que les secondes voient parfois leur température fluctuer de 30°C en 24 heures. Ainsi le lever du soleil à l'Est est marqué par le noircissement des surfaces continentales (Arabie puis Afrique du Nord).

On remarquera que les océans ne changent pas de teintes. La différence de température entre terres et océans est particulièrement marquée sur les côtes du Maroc et de la Mauritanie car les sols sont très chauds la journée et l'océan est particulièrement froid ( upwelling de Mauritanie qui enrichit les eaux en nutriments). Ce contraste induit une circulation atmosphérique à petite échelle dite brise thermique.

Au voisinage de l'équateur, on observe d'importantes formations nuageuses. Elles sont très visibles en IR (Infrarouge) thermique inverse, ce qui signifie que ces nuages sont très froids et donc très hauts. Ce sont des cumulonimbus résultant de la forte convection qui a lieu au-dessus du continent Sud-africain à cette saison. Ils peuvent culminer à 15 km d'altitude. On remarque que la convection est la plus intense environ 5 à 15 degrés au Nord de l'équateur géographique. Du fait de l'inclinaison de la Terre durant l'été dans l'hémisphère Nord, la zone qui reçoit le plus de chaleur de la part du soleil se trouve en effet au voisinage de 10 degrés de latitude Nord. Ces cellules nuageuses ne s'enroulent pas comme celles des latitudes plus élevées.

Figure 2. Cumulonimbus

Cumulonimbus

Figure 3. Cirrus

Cirrus

En effet, au voisinage de l'équateur, l'écoulement atmosphérique est soumis à une force de Coriolis quasiment nulle (la force de Coriolis augmente avec la latitude) contrairement aux plus hautes latitudes. Cette force dévie les particules fluides vers la droite dans l'hémisphère Nord et impose des structures en spirale à haute latitude.

Ces masses nuageuses se déplacent vers l'Ouest, ce qui s'explique par la présence des alizés dans la zone tropicale. À partir de la fin du mois d'août et jusqu'à la moitié du mois d'octobre, les paquets nuageux que l'on voit au-dessus du Golfe de Guinée peuvent atteindre les côtes américaines en s'amplifiant. On parle alors de dépression tropicale et de cyclone.

Figure 4. Cellule de Hadley

Cellule de Hadley

Pour qu'un cyclone se crée, il faut un fort contraste entre la température de l'océan et celle de l'atmosphère. Ainsi, la formation d'un cyclone nécessite une température de l'océan supérieure à 26°C. Les zones de transitions entre régions tropicales et régions tempérées se situent aux alentours de 30 degrés de latitude. Dans l'hémisphère Nord, il s'agit notamment du Sahara. C'est une zone sèche sans nuages à fort albédo. Les seuls nuages présents au-dessus de l'Afrique du Nord sont des cirrus (très visibles en IR thermique car très froids).

Les cirrus s'échappent du sommet des cumulonimbus au-dessus de la Mauritanie et sont advectés vers le Nord-Est. Ils atteignent la Tunisie. Ce flux vers le Nord est dû à la présence de la Cellule de Hadley.

Cette cellule est un rouleau qui transporte de l'énergie depuis les régions excédentaires (zone convective du centre de l'Afrique) vers les régions déficitaires des deux hémisphères.

En juillet, c'est l'hémisphère Sud qui est le plus déficitaire en énergie, si bien que la cellule de Hadley y est la plus intense.

En janvier, c'est dans l'hémisphère Nord que la cellule de Hadley est importante. Le voile de cirrus sur l'Afrique du Nord atteint parfois l'Égypte. Ces cirrus ne dépassent pas le Nord de l'Afrique car la subsidence induite par la branche descendante de la cellule de Hadley provoque un réchauffement de la masse d'air dont la pression de vapeur saturante augmente. En altitude, on observe un courant allant vers le Nord qui est dévié vers l'Est par la force de Coriolis.


Aux latitudes moyennes, on observe des enroulements qui tournent dans le sens trigonométrique dans l'hémisphère Nord et dans le sens inverse dans l'hémisphère Sud. Ces enroulements sont les dépressions qui affectent nos régions tempérées. Ils se déplacent vers l'Est dans les 2 hémisphères montrant le régime de vents d'Ouest de ces latitudes.

L'enroulement circulaire est l'effet de la rotation de la Terre qui dévie vers la droite dans l'hémisphère Nord les écoulements qui vont des hautes pressions (anticyclones) vers les basses pressions (dépressions). À très grande échelle, les trajectoires des particules deviennent des cercles autour des basses pressions. Au-dessus de l'Atlantique Sud, on distingue le flux de perturbations qui traverse également le continent Africain d'Ouest en Est. Cette activité est forte durant l'hiver. En effet, ces perturbations dites baroclines transfèrent de la chaleur aux hautes latitudes, déficitaires en énergie. Ce mécanisme doit être d'autant plus fort que l'on est dans l'hémisphère d'hiver. Les dépressions ont des tailles considérables (10.000 km) et on remarque la vitesse élevée à laquelle elles se déplacent. L'absence de terres autour de l'Antarctique favorise la formation d'un fort courant d'Ouest autour de ce continent (quarantièmes rugissants).

Au-dessus de l'Europe, l'activité de ces ondes baroclines est plus faible car il s'agit de l'hémisphère d'été. Ainsi l'extension des dépressions est beaucoup plus faible. On pourra par exemple comparer la dépression qui se forme dans le Golfe de Gascogne avec celles circulant dans l'Atlantique Sud. Enfin, on notera que la pointe Sud de l'Afrique est totalement dénuée de nuages. Ceci est lié à la présence de la branche descendante de la cellule de Hadley, renforcée par le courant de retour de la mousson indienne.

La figure ci-dessous montre l'intensité du courant dit circumpolaire qui entoure le continent Antarctique. Les vents ont une intensité qui permet aux particules de faire le tour de la Terre en moins de 10 jours. Peu de particules s'échappent de la zone comprise entre la Terre de Feu et l'Antarctique ce qui montre le caractère très zonal du vent ( i.e. vent suivant un parallèle).


Cette figure est réalisée en initialisant une centaine de trajectoires aux alentours de 8 km d'altitude et en les advectant comme des traceurs passifs (dx/dt = v) avec les vitesses v données par le modèle du Centre Européen de Reading (données toutes les 3 heures).

Figure 7. Couverture nuageuse à la surface de la Terre

Couverture nuageuse à la surface de la Terre

Image NASA réalisée le 15 octobre 1983.