Sciences de la Terre

Objectifs de la leçon

• Énumérez les propriétés des courants d’air dans une cellule de convection.
• Décrivez comment les cellules de haute et basse pression créent des vents locaux et expliquez comment plusieurs types de vents locaux se forment.
• Discutez de la façon dont les cellules de convection globales mènent aux ceintures de vent mondiales.

Vocabulaire

• advection
• Vents Chinook (vents de Foehn)
• haboob
• zone de haute pression
• courant-jet
• vents katabatiques
• brise terrestre
• zone de basse pression
• mousson
• brise de montagne
• front polaire
• effet de pluie
• Vents de Santa Ana
• brise de mer
• brise de vallée

Introduction

Quelques principes de base expliquent largement comment et pourquoi l’air se déplace: L’air chaud qui monte crée une zone de basse pression au sol. L’air des environs est aspiré dans l’espace laissé par l’air qui monte. L’air circule horizontalement au sommet de la troposphère; l’écoulement horizontal est appelé advection. L’air se refroidit jusqu’à ce qu’il descende. Là où il atteint le sol, il crée une zone de haute pression. L’air circulant des zones de haute pression à basse pression crée des vents. L’air chaud peut contenir plus d’humidité que l’air froid. L’air se déplaçant à la base des trois principales cellules de convection de chaque hémisphère au nord et au sud de l’équateur crée les ceintures de vent mondiales.

La pression atmosphérique et les vents

Dans la troposphère sont des cellules de convection (Figure ci-dessous).

L’air qui se déplace horizontalement entre les zones de haute et basse pression produit du vent. Plus la différence de pression entre les zones de pression est grande, plus le vent se déplace rapidement.

La convection dans l’atmosphère crée la météo de la planète. Lorsque l’air chaud monte et se refroidit dans une zone de basse pression, il peut ne pas être en mesure de retenir toute l’eau qu’il contient sous forme de vapeur. Une partie de la vapeur d’eau peut se condenser pour former des nuages ou des précipitations. Lorsque l’air frais descend, il se réchauffe. Comme il peut alors contenir plus d’humidité, l’air descendant évaporera l’eau au sol.

L’air se déplaçant entre les grands systèmes haute et basse pression crée les ceintures de vent mondiales qui affectent profondément le climat régional. Des systèmes de pression plus petits créent des vents localisés qui affectent le temps et le climat d’une région locale.

Un guide en ligne sur la pression atmosphérique et les vents de l’Université de l’Illinois se trouve ici: http://ww2010.atmos.uiuc.edu/%28Gh%29/guides/mtr/fw/home.rxml.

Vents locaux

Les vents locaux résultent du déplacement de l’air entre les petits systèmes à basse et haute pression. Les cellules haute et basse pression sont créées par diverses conditions. Certains vents locaux ont des effets très importants sur la météo et le climat de certaines régions.

Brises terrestres et marines

L’eau ayant une chaleur spécifique très élevée, elle maintient bien sa température. Ainsi, l’eau chauffe et refroidit plus lentement que la terre. S’il y a une grande différence de température entre la surface de la mer (ou un grand lac) et la terre à côté, des régions de haute et basse pression se forment. Cela crée des vents locaux.

• Les brises de mer soufflent de l’océan plus frais sur les terres plus chaudes en été (Figure ci-dessous). Où est la zone de haute pression et où est la zone de basse pression? Les brises de mer soufflent à environ 10 à 20 km (6 à 12 miles) par heure et la température de l’air baisse de 5 à 10 ° C (9 à 18 ° F).
• Les brises terrestres soufflent de la terre à la mer en hiver. Où est la zone de haute pression et où est la zone de basse pression? Un peu d’air plus chaud provenant de l’océan monte puis coule sur terre, ce qui fait que la température sur la terre devient plus chaude.

Les brises terrestres et marines créent le climat agréable pour lequel le sud de la Californie est connu. L’effet des brises terrestres et marines ne se fait sentir qu’à environ 50 à 100 km (30 à 60 miles) à l’intérieur des terres. Ce même effet de refroidissement et de réchauffement se produit dans une moindre mesure de jour comme de nuit, car la terre se réchauffe et se refroidit plus rapidement que l’océan.

Vents de mousson

Les vents de mousson sont des versions à plus grande échelle des brises terrestres et marines; ils soufflent de la mer sur la terre en été et de la terre sur la mer en hiver. Les vents de mousson se produisent là où les terres d’été très chaudes sont à côté de la mer. Les orages sont fréquents pendant les moussons (Figure ci-dessous).

La mousson la plus importante au monde se produit chaque année sur le sous-continent indien. Plus de deux milliards d’habitants de l’Inde et de l’Asie du Sud-Est dépendent des pluies de mousson pour leur eau potable et leur eau d’irrigation. À l’époque des voiliers, les changements saisonniers dans les vents de mousson transportaient des marchandises entre l’Inde et l’Afrique.

Brises de montagne et de vallée

Les différences de température entre les montagnes et les vallées créent des brises de montagne et de vallée. Pendant la journée, l’air sur les pentes des montagnes est chauffé plus que l’air à la même altitude au-dessus d’une vallée adjacente. Au fur et à mesure que la journée avance, de l’air chaud s’élève et attire l’air frais de la vallée, créant une brise de vallée. La nuit, les pentes de la montagne se refroidissent plus rapidement que la vallée voisine, ce qui provoque une brise de montagne en descente.

Vents katabatiques

Les vents katabatiques montent et descendent les pentes, mais ce sont des brises de montagne et de vallée plus fortes. Des vents katabatiques se forment sur une zone terrestre élevée, comme un haut plateau. Le plateau est généralement entouré de presque tous les côtés par des montagnes. En hiver, le plateau devient froid. L’air au-dessus du plateau devient froid et descend du plateau à travers des interstices dans les montagnes. La vitesse du vent dépend de la différence de pression de l’air sur le plateau et sur les environs. Des vents katabatiques se forment sur de nombreuses régions continentales. Des vents katabatiques extrêmement froids soufflent sur l’Antarctique et le Groenland.

Vents Chinook (Vents de Foehn)

Les vents Chinook (ou vents de Foehn) se développent lorsque l’air est forcé au-dessus d’une chaîne de montagnes. Cela se produit, par exemple, lorsque les vents d’ouest apportent de l’air de l’océan Pacifique au-dessus des montagnes de la Sierra Nevada en Californie. Au fur et à mesure que l’air relativement chaud et humide s’élève du côté au vent des montagnes, il se refroidit et se contracte. Si l’air est humide, il peut former des nuages et tomber de la pluie ou de la neige. Lorsque l’air coule du côté sous le vent des montagnes, il forme une zone de haute pression. Le côté au vent d’une chaîne de montagnes est le côté qui reçoit le vent; le côté sous le vent est le côté où l’air coule.

L’air descendant se réchauffe et crée des vents forts et secs. Les vents de quinnat peuvent augmenter les températures de plus de 20 ° C (36 ° F) en une heure et ils diminuent rapidement l’humidité. La neige du côté sous le vent de la montagne disparaît fond rapidement. Si les précipitations tombent lorsque l’air monte au-dessus des montagnes, l’air sera sec lorsqu’il s’enfoncera sous le vent. Cet air sec et coulant provoque un effet de pluie (Figure ci-dessous), qui crée de nombreux déserts du monde.

Vents de Santa Ana

Les vents de Santa Ana sont créés à la fin de l’automne et de l’hiver lorsque le Grand Bassin à l’est de la Sierra Nevada se refroidit, créant une zone de haute pression. Les forces de haute pression serpentent en descente et dans le sens des aiguilles d’une montre (à cause de Coriolis). La pression de l’air augmente, donc la température augmente et l’humidité diminue. Les vents soufflent sur les déserts du sud-ouest, puis descendent et se dirigent vers l’ouest vers l’océan. L’air est forcé à travers des canyons coupant les montagnes San Gabriel et San Bernardino (Figure ci-dessous).

Les vents de Santa Ana arrivent souvent à la fin de la longue saison de sécheresse estivale en Californie. Les vents chauds et secs assèchent encore plus le paysage. Si un incendie commence, il peut se propager rapidement, provoquant des ravages à grande échelle (Figure ci-dessous).

Vents du désert

Les températures estivales élevées dans le désert créent des vents violents, souvent associés aux tempêtes de mousson. Les vents du désert ramassent la poussière car il n’y a pas autant de végétation pour retenir la saleté et le sable. (Figure ci-dessous). Un haboob se forme dans les courants descendants sur le front d’un orage.

Des diables de poussière, également appelés tourbillons, se forment lorsque le sol devient si chaud que l’air au-dessus se réchauffe et s’élève. L’air s’écoule dans la basse pression et commence à tourner. Les diables de poussière sont petits et de courte durée, mais ils peuvent causer des dommages.

Circulation atmosphérique

Parce que plus d’énergie solaire frappe l’équateur, l’air se réchauffe et forme une zone de basse pression. Au sommet de la troposphère, la moitié se déplace vers le Pôle Nord et l’autre moitié vers le Pôle Sud. En se déplaçant le long du sommet de la troposphère, il se refroidit. L’air frais est dense et lorsqu’il atteint une zone de haute pression, il s’enfonce au sol. L’air est aspiré vers la basse pression à l’équateur. Ceci décrit les cellules de convection au nord et au sud de l’équateur.

Si la Terre ne tournait pas, il y aurait une cellule de convection dans l’hémisphère nord et une dans le sud avec l’air montant à l’équateur et l’air descendant à chaque pôle. Mais parce que la planète tourne, la situation est plus compliquée. La rotation de la planète signifie que l’effet Coriolis doit être pris en compte. L’effet Coriolis a été décrit dans le chapitre sur les océans de la Terre.

Regardons la circulation atmosphérique dans l’hémisphère Nord en raison de l’effet Coriolis (Figure ci-dessous). L’air monte à l’équateur, mais en se dirigeant vers le pôle au sommet de la troposphère, il dévie vers la droite. (Rappelez-vous qu’il semble juste dévier vers la droite parce que le sol en dessous bouge.) À environ 30° de latitude Nord, l’air provenant de l’équateur rencontre l’air s’écoulant vers l’équateur depuis les latitudes supérieures. Cet air est frais car il vient de latitudes plus élevées. Les deux lots d’air descendent, créant une zone de haute pression. Une fois au sol, l’air retourne à l’équateur. Cette cellule de convection est appelée Cellule de Hadley et se trouve entre 0° et 30°N.

Il y a deux autres cellules de convection dans l’hémisphère Nord. La cellule de Ferrell se situe entre 30°N et 50° à 60°N. Cette cellule partage son côté sud descendant avec la cellule de Hadley au sud. Son membre ascendant nord est partagé avec la cellule polaire située entre 50° N et 60°N et le Pôle Nord, où l’air froid descend.

Il y a trois cellules de circulation d’image miroir dans l’hémisphère Sud. Dans cet hémisphère, l’effet Coriolis fait que les objets semblent dévier vers la gauche.

Ceintures de vent mondiales

Les vents mondiaux soufflent dans des ceintures encerclant la planète. Les ceintures de vent mondiales sont énormes et les vents sont relativement stables (Figure ci-dessous). Ces vents sont le résultat du mouvement de l’air au fond des principales cellules de circulation atmosphérique, où l’air se déplace horizontalement de haute à basse pression.

Ceintures de vent mondiales

Regardons les ceintures de vent mondiales dans l’hémisphère Nord.

• Dans la cellule de Hadley, l’air doit se déplacer du nord au sud, mais il est dévié vers la droite par Coriolis. L’air souffle donc du nord-est au sud-ouest. Cette ceinture est les alizés, ainsi appelés parce qu’à l’époque des voiliers, ils étaient bons pour le commerce.
• Dans la cellule de Ferrel, l’air devrait se déplacer du sud au nord, mais les vents soufflent en fait du sud-ouest. Cette ceinture est les vents d’ouest ou les vents d’ouest. Pourquoi pensez-vous qu’un vol à travers les États-Unis de San Francisco à New York prend moins de temps que le trajet inverse?
• Dans la cellule polaire, les vents se déplacent du nord-est et sont appelés les vents d’est polaires

Les ceintures de vent sont nommées pour les directions d’où viennent les vents. Les vents d’ouest, par exemple, soufflent d’ouest en est. Ces noms désignent également les vents dans les ceintures de vent de l’hémisphère Sud.

Cette conférence vidéo traite du modèle à 3 cellules de la circulation atmosphérique et des ceintures de vent mondiales et des courants de vent de surface qui en résultent (5a): http://www.youtube.com/watch?v=HWFDKdxK75E (8:45).

Vents et précipitations globaux

Outre leur effet sur les ceintures de vent globales, les zones de haute et basse pression créées par les six cellules de circulation atmosphérique déterminent de manière générale la quantité de précipitations qu’une région reçoit. Dans les régions de basse pression, où l’air monte, la pluie est fréquente. Dans les zones à haute pression, l’air qui coule provoque l’évaporation et la région est généralement sèche. Des effets climatiques plus spécifiques seront décrits dans le chapitre sur le climat.

Fronts polaires et Courants-jets

Le front polaire est la jonction entre les cellules de Ferrell et polaires. Dans cette zone de basse pression, de l’air relativement chaud et humide de la cellule de Ferrell pénètre dans de l’air relativement froid et sec de la cellule polaire. Le temps où ces deux se rencontrent est extrêmement variable, typique d’une grande partie de l’Amérique du Nord et de l’Europe.

Le courant-jet polaire se trouve haut dans l’atmosphère où les deux cellules se rejoignent. Un courant-jet est un fleuve d’air à écoulement rapide à la limite entre la troposphère et la stratosphère. Des courants-jets se forment là où il y a une grande différence de température entre deux masses d’air. Cela explique pourquoi le courant-jet polaire est le plus puissant au monde (Figure ci-dessous).

Les courants-jets se déplacent de façon saisonnière tout comme l’angle du Soleil dans le ciel se déplace vers le nord et le sud. Le courant-jet polaire, connu sous le nom de  » courant-jet ”, se déplace vers le sud en hiver et vers le nord en été entre environ 30 ° N et 50 ° à 75 ° N.

Résumé de la leçon

• Les vents soufflent des zones de haute pression aux zones de basse pression. Les zones de pression sont créées lorsque l’air près du sol devient plus chaud ou plus froid que l’air à proximité.
• Les vents locaux peuvent être trouvés dans une vallée de montagne ou près d’une côte.
• Les modèles de vent mondiaux sont des vents stables à long terme qui règnent autour d’une grande partie de la planète.
• L’emplacement des ceintures de vent mondiales a une grande influence sur la météo et le climat d’une région.

Questions de révision

1. Dessinez une image d’une cellule de convection dans l’atmosphère. Étiquetez les zones de basse et haute pression et où se trouve le vent.
2. Dans quelles circonstances les vents seront-ils très forts?
3. Compte tenu de ce que vous savez sur les cellules de convection à l’échelle mondiale, où voyageriez-vous si vous souhaitiez connaître une pluie chaude et abondante?
4. Décrivez la circulation atmosphérique pour deux endroits où vous êtes susceptible de trouver des déserts, et expliquez pourquoi ces régions sont relativement chaudes et sèches.
5. Comment les moussons indiennes pourraient-elles être réduites en ampleur ? Quel effet aurait une réduction de ces importantes moussons sur cette partie du monde?
6. Pourquoi le nom « mangeur de neige » est-il une description appropriée des vents de Chinook?
7. Pourquoi l’effet Coriolis fait-il que l’air semble se déplacer dans le sens des aiguilles d’une montre dans l’hémisphère Nord? Quand l’effet Coriolis fait-il que l’air semble se déplacer dans le sens antihoraire?
8. Les marins désignaient autrefois une partie de l’océan comme le marasme. C’est une région où il n’y a souvent pas de vent, de sorte que les navires seraient bloqués pendant des jours, voire des semaines. Où pensez-vous que le marasme pourrait être par rapport aux cellules de circulation atmosphérique?
9. Imaginez que le courant-jet est situé plus au sud que d’habitude pour l’été. Quel est le temps dans les régions juste au nord du courant-jet, par rapport à un été normal?
10. Donnez une description générale de la formation des vents.

Lectures complémentaires / Liens supplémentaires

• Animations des systèmes Haute et Basse pression, Bureau de météorologie, Gouvernement australienhttp://www.bom.gov.au/lam/Students_Teachers/pressure.shtml

Points à considérer

• Comment les vents locaux affectent-ils le temps dans une région?
• Comment les ceintures de vent mondiales affectent-elles le climat d’une région?
• Quels sont les grands principes qui régissent la circulation de l’atmosphère ?