Deuxième Grande Idée pour comprendre la météorologie

La présentation statique de l’atmosphère que vous venez de lire dans le billet précédent ne nous aide pas encore beaucoup pour comprendre la météorologie.

Manifestement, il faut passer à la dynamique, c’est à dire parler mouvements, donc forces, donc énergie.

Pour vous donner une idée de ce que va signifier cette ambition de mettre en scène des transferts d’énergie, et donc des forces et en dernier ressort des mouvements de l’atmosphère, voici présentée ci-dessous une vue globale de notre planète, orientée de manière telle que l’on voit la France au centre de la figure.

Cette image est le résultat d’un traitement graphique appliqué aux résultats numériques d’un modèle météorologique ( GFS 3D Monde) . Cette ‘ sortie d’ordinateur ‘ décrit l’état global prévu pour l’atmosphère terrestre le 19 février 2020, à 12 H 00 U.T.C, à partir d’un calcul de prévision de l’évolution des deux principales grandeurs physiques décrivant l’état de l’atmosphère, et cela à partir de la connaissance des mesures de ces grandeurs à 0 H 00 U.T.C

Ces deux grandeurs sont les suivantes :
Tout d’abord, la pression atmosphérique au niveau du sol ou de la mer, les réseaux de lignes blanches sur l’image étant les lieux d’égale valeur de cette pression atmosphérique. On appelle ces lignes des isobares .

Ensuite, un index donnant une idée du contenu en énergie des masses d’air. C’est la couleur utilisée, du rouge au violet, en passant par le jaune, le vert et le bleu, qui donne une idée de la variation de la température, du plus chaud au plus froid, et donc de l’énergie. Ces notions, évoquées ici de manière très vague seront précisées ultérieurement .

L’affrontement anticyclone – dépression marqué par la ligne noire HD est énorme :  1035 hPa au point H, centre de l’anticyclone des Açores, faisant face aux 960 hPa seulement, au centre de la dépression D au voisinage de l’Islande .

 

Les mécanismes fondamentaux des grands mouvements observés dans l’atmosphère

Le schéma ci-dessous récapitule ces deux mécanismes fondamentaux qui ont tous les deux la même origine : le Soleil, l’étoile autour de laquelle notre planète gravite :

À gauche est représentée la chaîne de causes et de conséquences qui conduit à l’existence de différences de pression dans l’atmosphère, qui sont les moteurs des grands mouvements de l’air atmosphérique :

Le soleil, seule source primaire d’énergie dans notre région de l’univers, rayonne cette énergie sous forme de lumière visible, mais aussi de rayonnements électromagnétiques invisibles mais puissants, les rayons infrarouges et ultraviolets. Ce rayonnement illuminant tour à tour les deux faces de notre planète y provoque une élévation de la température T de l’atmosphère. Ce réchauffement provoque à son tour une dilatation de volume de cette atmosphère et une augmentation de la pression p  (Souvenez vous de la loi de comportement des gaz parfaits, de la forme :  p V =  k T ).

À droite, les mouvements relatifs de la planète Terre par rapport au repère fixe que constitue le Soleil : rotation de la Terre autour de l’axe passant par ses pôles ( un tour en 24 heures entraînant l’alternance de jours et de nuits) et rotation de la Terre autour du Soleil ( sur une orbite elliptique parcourue en 365 jours, ce qui entraîne l’alternance des saisons). Aux vitesses relatives associées à ces mouvements relatifs, correspond un terme d’accélération et donc une force, appelée force de Coriolis . Nous verrons plus tard que cette force de Coriolis joue un grand rôle dans les grands mouvements agitant l’atmosphère.

Les satellites météorologiques déployés depuis maintenant une quinzaine d’années nous permettent de mesurer et ensuite de comprendre les effets de ces changements incessants de température et de pression de l’atmosphère, tout autour de la planète.

C’est ainsi que les trois satellites MetOp , lancés en 2006, 2010, 2015, tournent autour de la Terre sur une orbite quasi circulaire passant près des pôles, à une altitude de 840 km environ. Il font le tour de la Terre en 100 minutes :

À chaque passage au-dessus de l’équateur, leur trace au sol est décalée vers l’ouest, ce qui permet de couvrir le monde entier en 24 heures.

IASI , l’Interféromètre Atmosphérique de Sondage dans l’Infrarouge embarqué dans chaque satellite, permet d’obtenir deux fois par jour sur la totalité de la surface de la Terre le profil vertical de la température, de l’humidité et des concentrations de différents gaz (CO, CH4, NO2, O3, etc). Son spectromètre mesure le rayonnement infrarouge  dans la bande 3,6 à 15 m , avec une visée au nadir.

Le tableau ci-après présente une synthèse très globale des effets du rayonnement solaire irradiant ainsi notre planète. On y trouve, sous la forme de moyennes annuelles de températures, les bilans en watts par mètre carré respectivement reçus en provenance du Soleil et ensuite réémis, parce que il faut bien parvenir à un équilibre global pour notre Terre isolée dans l’espace sidéral. Et cela en fonction d’un paramètre primordial, la latitude à laquelle ces constats sont effectués, de l’équateur jusqu’aux pôles.

 

 

Comme le montre ce petit schéma, le bilan est évidemment nul pour l’ensemble du globe ( Ce n’est pas sur une seule année moyenne que, heureusement, on peut mettre en évidence un effet de réchauffement ou de refroidissement climatique ) .  C’est donc que les bilans thermiques — plus de 300 W/m2 absorbés dans la zone équatoriale contre seulement 70 dans les hautes latitudes polaires — doivent s’équilibrer par des transferts méridiens entre l’équateur et les pôles. C’est là l’origine des mouvements de fluides atmosphériques et océaniques.

Comme le montre cette figure, la circulation atmosphérique s’organise pour réduire, et si possible annuler le contraste entre régions excédentaires et régions déficitaires en énergie, et cela au moyen de transferts de masses d’air méridiens , de l’équateur vers les régions polaires .