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D'où une question délicate de thermodynamique émergant naturellement :

 

Pourquoi une masse d'air (ou d'eau) est-elle déviée différemment dans les deux hémisphères, vers la droite dans le Nord et vers la gauche dans le Sud ?

 

On se rappelle en effet que peu importe l’océan ou l’hémisphère dans lesquels ils se trouvent, cyclones, ouragans ou typhons ont tous le même mécanisme de formation. Ils apparaissent dans la zone intertropicale à plus de 6° de l’équateur et puisent leur énergie dans la chaleur de condensation de la vapeur d’eau extraite de l’océan. Une dépression tropicale naît de la transformation de cette chaleur en énergie mécanique, générant pluies et vents violents, de l’équateur vers les pôles.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Explication scientique : mouvement de l'air

 

Recherche des forces qui s'exercent sur une particule d'air en déplacement

 

Imaginons que la Terre ne tourne pas. Il y aurait pourtant des différences de températures dans son atmosphère. Donc il y aurait des mouvements d'air. Il se créerait alors une circulation constante et éternelle entre les endroits froids et chauds, circulation qui se ferait toujours de la même manière. Et ce monde-là ne connaîtrait jamais les joies de la force de Coriolis.

Les vents tournant dans un cyclone ont donc pour origine une différence de pression due elle-même à une différence de températures.

 

Si vous avez quelques vagues notions, il existe des isobares (lignes courbes refermées et de  pression constante).
Une particule d'air a donc tendance à aller naturellement d'une isobare de haute pression vers une isobare de basse pression.

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

La force de pression s'exerce perpendiculairement aux isobares, des hautes vers les basses pressions. Elle entraîne le déplacement de la particule à une certaine vitesse V.
La particule étant en mouvement dans un repère tournant, la " force " de Coriolis s'exerce perpendiculairement à la vitesse, vers la droite dans l'hémisphère nord, vers la gauche dans l'hémisphère sud.  Le mouvement de la particule va donc être modifié sous l'action conjuguée de la force de pression et de la " force " de Coriolis, jusqu'à ce que les directions de ces forces deviennent opposées : il y a équilibre des deux forces ! Appelé vent géostrophique, le vent résultant de cet équilibre est proche du vent réel en altitude.
La particule poursuit alors son mouvement en suivant une ligne isobare.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Dans l'hémisphère nord, pour les masses d'air avec centres basse pression (les cyclones en particulier), le mouvement se fait dans le sens inverse aux aiguilles d'une montre. La masse d'air est donc déviée vers la gauche !

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Le tout est donc de déterminer dans quel sens ...
Cela dépend en réalité d'où se trouve l'isobare de haute pression (anticyclone) et celle de basse pression (dépression) : ou encore la particule a-t-elle suivi un mouvement centripète (vers l'intérieur) ou centrifuge (vers l'extérieur) ?

 

Pour éclairer ceux qui sont perdus :

Si la Terre ne tournait pas, la particule d'air irait tout droit vers le centre, là ou la pression est la plus faible.

Cependant, comme la Terre tourne, n'importe quel mouvement est affecté par l'effet Coriolis et dévie vers la droite par rapport à la trajectoire sans rotation de la Terre.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Il se produit un enroulement des masses d'air autour des centres dépressionnaires (circulation cyclonique) et le tout s'enroule vers dans le sens contraire des aiguilles d'une montre, donc vers la GAUCHE effectivement.

Faisons remarquer par contre que l'ensemble "cyclone" (tel n'importe quel objet) qui se déplace lui aussi dans l'atmosphère, va être dévié vers la DROITE.

 

Note : bien sûr, s'il on avait regardé une masse d'air à centre de haute pression dans l'hémisphère nord, cela aurait été l'inverse.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Le déplacement des masses d'air est donc dépendant de la répartition des zones de hautes et de basses pressions et de la " force " de Coriolis.  On observe de vastes mouvements giratoires horizontaux. Dans l'hémisphère nord, l'air tourne autour des basses pressions dans le sens anti horaire et autour des hautes pressions dans le sens horaire. Dans l'hémisphère sud, c'est le contraire.
Ces mouvements sont ceux que l'on observe à haute altitude.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cette circulation s'oriente dans le sens contraire des aiguilles d'une montre, que l'on appelle le sens cyclonique dans l'hémisphère Nord. Par symétrie dans l'hémisphère Sud, les centres de basses pressions atmosphériques aux moyennes latitudes sud sont entourés d'une circulation giratoire résultante orientée dans le sens des aiguilles d'une montre, cette fois-ci, mais que l'on appellera encore cyclonique , les dénominations s'inversant entre les deux hémisphères par simple convention de vocabulaire.

 

 

Professor Tim Merlis

Le mécanisme de formation d'un cyclone est universel

Forces qui s'exercent sur une particule d'air en déplacement en haute altitude © M. Revault d'Allonnes

Les vents autour d'un centre dépressionnaire

D'un anticyclone vers une dépression : Déviation de la trajectoire des masses d'air qui ont tendance à contourner la dépression dans le sens contraire des aiguilles d'une montre au lieu de s'y engouffrer directement

Comment, dans l'hémisphère nord, l'effet Coriolis (flèches rouges) qui fait que les particules d'air, attirées vers la dépression (flèches bleues) dévient vers la DROITE font que le cyclone tourne SUR LUI-MEME vers la GAUCHE.
Le cyclone pris dans son entier verra son déplacement dévié vers la DROITE (tout comme les particules d'air).

Rotation du vent autour d'une dépression et d'un anticyclone selon l'hémisphère-  © M. Revault d'Allonnes

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mais que se passe-t-il donc à l'Equateur ?

 

Comme l'effet de Coriolis est quasi-nul autour de l'équateur, une particule d'air attiré par une dépression locale situé au Nord ou au Sud d'elle peut s'y rendre "directos" : il n'y aura pas d'enroulement et un cyclone ne s'y formera jamais (pas de cyclone entre 5 ° sud et 5 ° nord). En version mathématique, c'est la composante verticale de l'expression de Coriolis qui est nulle !

 

Cependant les trajectoires de l'enroulement de masses d'air cyclonique ne sont pas circulaires : elles ont une forme de spirale convergeant vers le centre. C'est donc que notre modèle précédent est insuffisant.

En effet, ce forçage "extérieur" des vents cycloniques à proximité des centres dépressionnaires s'étend sur des distances beaucoup plus grandes en haute altitude qu'en basse altitude car en basse altitude, les vents sont ralentis par le frottement au sol et sont donc moins déviés par la force de Coriolis. Cette différence d'emprise de la rotation cyclonique des vents entre haute et basse altitudes procure aux dépressions leur forme en spirale étirée verticalement.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ce qui va donc nous amener à notre seconde partie : Forces de friction : la trajectoire d'un cyclone.

 

 

Force de friction : la trajectoire d'un cyclone

 

À basse altitude, dans les premiers mille mètres, il faut tenir compte d'une troisième force, celle du frottement de l'air sur la rugosité du sol. La force de frottement s'oppose au déplacement de l'air.  Elle réduit la vitesse du vent et donc la déflexion due à la " force " de Coriolis. Un nouvel équilibre s'établit entre la force de pression,  la force de Coriolis et la force de frottement qui modifie la direction du déplacement de l'air. Le vent résultant de l'équilibre de ces trois forces est proche du vent réel au sol.

D'ailleurs, cette force est d'autant plus grande que le sol est irrégulier : elle est petite au-dessus des océans mais importante au-dessus des forêts, par exemple.

 

Sans les forces de friction, le vent aurait tendance à tourner en cercle autour du centre de dépression, comme on l'a vu plus haut. Mais, en prenant en compte les frottements à la surface de la Terre, les vents de surface sont ralentis et la force de Coriolis, proportionnelle à la vitesse, diminue. La force de pression devient dominante, et ainsi l'air a un mouvement en spirale vers le centre de la dépression.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Les déplacements d'air horizontaux s'accompagnent de déplacements d'air verticaux. Au niveau du sol, les vents qui convergent vers une zone de basse pression (dépression) créent un courant d'air ascendant qui, chargé d'humidité, peut engendrer une couverture nuageuse,  alors que les vents qui s'échappent d'une zone de haute pression au niveau du sol (anticyclone) créent une subsidence d'air généralement sec donc sans nuages.

 

 

 

 

 

« La force de Coriolis est fondamentale dans la formation des typhons, et c’est la raison pour laquelle ceux-ci ne se forment pas dans les régions situées exactement sur l’équateur [où cette force n’a plus d’effet] »

 

Timothy MERLIS, professeur au Département des sciences de l’atmosphère et des océans de l’Université McGill

 

 

 

Dépression ou cyclone du sud de l'Australie tournant dans le sens des aiguilles du montre. Le centre de la spirale formé de nuages est aussi le point où la pression est la plus basse

Impact des forces de friction

Direction des déplacements d'air dans une zone de basse pression et dans une zone de haute pression situées dans l'hémisphère nord. © M. Revault d'Allonnes

La force de Coriolis est donc essentielle à la genèse d'un cyclone mais elle n'en est pas la seule  responsable !

Le bilan des forces fait à l'aide de la formule de l'accélération de Coriolis dans les deux hémisphères nous donnera lors de l'étude de la fonction :

- FCoriolis pôle nord

- FCoriolis pôle sud

- FCoriolis équateur

 

En appliquant les lois mathématiques et mécaniques apprises précedemment, cela peut se traduire par :

- FCoriolis pôle nord=- FCoriolis pôle sud

- FCoriolis équateur=FCoriolis pôle nord + FCoriolis pôle sud=0

 

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