Dans les quatre billets précédents, nous avons mis en avant trois grandes idées :
I – Interroger la météorologie, dans l’intention banale de savoir ‘ le temps qu’il va faire ? ‘, c’est essentiellement scruter l’atmosphère terrestre pour tenter de prévoir l’évolution dans le temps de deux paramètres fondamentaux : la pression atmosphérique et la température de cette atmosphère ( Billet du 6 avril 2020 complété le 18 avril) .
II – Nous avons identifié le moteur unique gouvernant les grandes évolutions dans l’espace et le temps de l’atmosphère terrestre. Il s’agit du rayonnement thermique dispensé par notre étoile, le Soleil, dont nous avons montré que l’énergie est reçue d’une manière inégale en fonction de la latitude et du moment dans le temps ( Billet du 7 avril 2020) .
III – En mettant en œuvre des connaissances physiques en matière de rayonnement ( notion de corps noir, lois de Planck et de Stefan) nous avons mis en évidence le phénomène d’effet de serre qui permet à l’atmosphère terrestre de connaître une température moyenne au sol de l’ordre de 15 °C actuellement. C’est cette moyenne de 15°C qui risque fortement d’augmenter de 2 °C, peut-être même davantage, si la concentration en gaz à effet de serre (principalement le CO2) continue à augmenter du fait des activités humaines.
Mais la seule connaissance des moyennes de températures que les observations des satellites météorologiques nous permettent de recueillir est totalement impuissante à nous faire comprendre (et expliquer pour pouvoir les prédire) les mouvements au sein de l’atmosphère.
Il nous faut pour cela prendre en compte la sphéricité de la Terre
et son mouvement de rotation autour de l’axe de ses deux pôles.
Il va donc falloir combiner les transferts d’énergie méridiens que nous avons mis en évidence entre les régions équatoriales et tropicales d’une part, et les hautes latitudes jusqu’aux régions polaires d’autre part, et cela avec la rotation locale imposée à chaque latitude par la rotation d’ensemble de la Terre autour de son axe .
La figure ci-dessous nous fait comprendre que pour analyser ces phénomènes, on peut dans un premier temps commencer par distinguer deux types de régions qui seront le siège de comportements de l’atmosphère bien distincts :
Une expérience menée en laboratoire d’hydraulique possède l’avantage de mettre en évidence très simplement des phénomènes qu’il serait beaucoup plus compliqué, long et fastidieux de découvrir par des calculs. Le dispositif utilisé est représenté sur la figure suivante :
Le dispositif expérimental est constitué de deux cuves cylindriques. La plus grande , C1, est fixe, et constitue l’enceinte extérieure de l’expérience. Cette cuve C1 est équipée en son centre d’un pivot P de forme également cylindrique, de même axe vertical que C1. Sur ce pivot P est fixée une seconde cuve C2, plus petite que C1, et de forme annulaire. L’ensemble pivot P – cuve C2 peut être entraîné dans un mouvement de rotation à vitesse variable.
L’intérieur du pivot P est rempli d’un liquide froid. Il va représenter les régions polaires de forte rotation.
L’espace annulaire entre les deux cuves C1 et C2 est rempli d’un liquide chaud. Il représente les régions équatoriales pratiquement exemptes de rotation .
L’espace annulaire de la cuve C2 contient un fluide qui représente l’atmosphère terrestre.
L’expérience consiste à faire tourner la cuve intérieur C2, en réglant sa vitesse de rotation ainsi que la différence de température entre le pivot central et la périphérie jusqu’à ce qu’on observe des phénomènes très intéressants qui sont les suivants, et que montrent la figure ci-dessous :
L’expérience montre qu’il apparaît un régime turbulent d’où émergent des tourbillons cycloniques (qui tournent dans le sens des aiguilles d’une montre) et anticycloniques (qui tournent en sens inverse des aiguilles d’une montre) . Le nombre des lobes observés augmente avec la vitesse de rotation, et est de l’ordre de 4 à 5 .
On observe les tourbillons cycloniques (sens des aiguilles d’une montre) dans les zones chaudes bleues ( zones dans lequel le fluide est chauffé par la paroi extérieure ), et les tourbillons anticycloniques (sens inverse) dans les zones froides rouges ( zones dans lequel le fluide est refroidi par la paroi froide du pivot central .
( Dans cette expérience, il y a eu manifestement une interversion entre le fluide chaud à l’extérieur, qui aurait du être teinté en rouge et qui apparaît ici en bleu, et le fluide froid près du pivot, qui aurait dû être teinté en bleu et non pas en rouge comme ici).
En dépit des conditions simplistes de la géométrie de la simulation, le phénomène mis en évidence s’avère très analogue à celui observé réellement, comme le montre l’image ci-après, qui rend compte d’observations du jet-stream d’Ouest et du système d’ondes de Rossby dans l’hémisphère Nord (Source: météo Canada) :
Cette illustration revêtant peut-être un caractère trop schématique, vous trouverez ci-dessous une sortie d’ordinateur interprétant les résultats de calculs du modèle météorologique GFS (Global Forecasting System) appliqué à la majeure partie d’hémisphère Nord pour y prévoir l’état dynamique de l’atmosphère le 29 mars 2016 à 12 H U.T.C :
Ce que montre cette carte, c’est la séparation de l’atmosphère de l’hémisphère Nord en deux grandes zones séparées par une frontière oscillante très semblable à celle que l’expérience de laboratoire décrite plus haut avait mise en évidence. Cette frontière s’appelle le front polaire , et ce front est en fait un système oscillant, entraîné d’Ouest en Est par la rotation de la Terre . Les ondes constituant ce système ont été nommées des ondes de Rossby . Ces ondes séparent ainsi des zones anticycloniques de hautes pressions, au sud, et des zones cycloniques de basses pressions, au Nord.
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