La circulation atmosphérique globale

L'atmosphère qui entoure notre planète n'est pas figée. Dans sa partie la plus basse, la troposphère, se produisent l'essentiel des phénomènes atmosphériques contrôlant notre climat et notre météo. Dans la troposphère, les masses d'air sont mises en mouvement par le différentiel de température entre les basses et les hautes latitudes. Ce phénomène est appelé la convection.

Pour l'expliquer simplement, l'énergie solaire incidente (qui arrive sur Terre) est plus concentrée dans la zone de l'équateur, car le rayonnement solaire y arrive à 90° par rapport à l'horizon. Inversement, dans les zones polaires, le rayonnement solaire est très oblique en raison de rotondité (la forme ronde) de la Terre et l'énergie solaire y est donc plus faible (car répartie sur une plus grande surface), ce qui réchauffe moins la surface de la Terre et l'atmosphère (cf. les paramètres de Milankovitch).

L'air chaud est moins dense, il est donc soumis à la poussée d'Archimède.
Prenons un exemple concret. Si vous immergez une boule de granite dans l'eau, elle coule parce que le granite est plus dense que l'eau, plus lourd. La poussée d'Archimède est insuffisante pour compenser sa densité. Si vous immergez une boule de polystyrène dans l'eau, elle remonte car elle est moins dense que l'eau. La poussée d'Archimède est suffisante pour la faire remonter.
Cela fonctionne de la même manière avec les masses d'air :

L'air chaud est la boule de polystyrène : plus léger, il remonte vers le sommet de la troposphère.
L'air froid est la boule de granite : plus dense et donc plus lourd, il descend vers la base de la troposphère, qui est donc la surface de la Terre.

Ajoutons qu'il existe un différentiel de température entre les hautes et basses latitudes : l'air chaud (et humide) monte en altitude mais il est également dévié vers les latitudes plus hautes (donc vers les pôles nord et sud). Ce mouvement latéral est appelé l'advection. Lorsqu'il atteint une certaine altitude & latitude, l'air s'est refroidi (et asséché) et finit par redescendre vers la surface de la Terre. Cela crée une boucle de circulation d'air. Il en existe trois par hémisphère :

La cellule de Hadley, de l'équateur aux tropiques ;
La cellule de Ferrel, des tropiques au front polaire ;
La cellule polaire, au niveau des pôles de la planète.

Bien entendu, le phénomène de convection thermique qui crée ces cellules de grande échelle (on parle grosso modo à l'échelle d'un tiers d'hémisphère pour chaque cellule de circulation atmosphérique) existe à plus petite échelle et est, par exemple, utilisé par les oiseaux ou les planeurs. Un champ de blé au soleil va fortement chauffer en été, l'air chaud au-dessus de ce champ crée un courant d'air ascendant que les pilotes (et les oiseaux) utilisent pour reprendre de l'altitude.

Utilisons un ensemble de schémas pour bien comprendre.

Division de la Terre

Dans un premier temps, concentrons-nous sur la Terre. Pour se faire, plaçons-nous dans l'océan Pacifique avec une superbe carte bathymétriques (montrant les structures du fond marin) réalisée par Heezen et Tharp dans les années 1970 :

À partir de là, plaçons nos latitudes importantes : l'équateur, les tropiques et les fronts polaires :

Par volonté de simplification, disons que le maximum d'énergie solaire arrive au niveau de l'équateur (même si ce n'est vrai, en réalité, qu'au moment de l'équinoxe). C'est donc par là que nous commencerons à décrire les mécanismes en jeu.

Il faut tout de même parler d'un point important avant d'aller plus loin : la force de Coriolis. La Terre tourne sur elle-même, ce qui induit un mouvement des masses d'air. Au niveau de l'équateur, la force de Coriolis est presque nulle, c'est une zone pratiquement dénuée de vent. En s'éloignant de l'équateur, les masses d'air sont soumises à la force de Coriolis et sont déviées vers l'est entre l'équateur et les tropiques : ce sont les Alizés, des vents d'est.

La cellule de Hadley

Donc, depuis l'équateur, l'air chaud monte, atteint le sommet de la troposphère, la tropopause, puis est dévié vers le nord dans l'hémisphère nord et vers le sud dans l'hémisphère sud. Il se refroidit (en donnant sa chaleur à son environnement) et s'assèche (par les précipitations abondantes) jusqu'à devenir suffisamment dense pour redescendre, environ vers 30° de latitude nord et sud. Cette boucle est appelée la cellule de Hadley.

La cellule de Hadley présente une dynamique globalement constante. Suivant la figure présentée ci-dessus, on peut décrire le processus ainsi :

(a) : l’air chaud et humide converge vers l’équateur.
(b) : L’air se dirige donc vers les zones de basse pression où il s’élève et forme des orages et des précipitations intenses. C’est la Zone de Convergence Intertropicale (ITCZ). Les vents y sont faibles.
(c) : L’air arrive en butée sur la tropopause (limite physique entre la troposphère et la stratosphère au-dessus). L’air chaud et humide monte constamment depuis la surface, repoussant donc l'air bloqué contre la tropopause vers le nord dans l’hémisphère nord et vers le sud dans l’hémisphère sud. C’est ce qu’on appelle l’advection.
(d) : En s’éloignant de l’équateur, la masse d’air se refroidit et s'assèche par échange de chaleur avec l’environnement et par précipitations. Plus froid donc plus dense et plus lourd, l’air redescend alors, à peu près au niveau des tropiques, vers 30°N et 30°S. L’air qui descend se réchauffe. C’est la zone de calme subtropicale aride, dominée par un anticyclone.
(a) : Proche de la surface, l’air s’humidifie en plus de se réchauffer et il converge vers l’équateur. La boucle peut reprendre.

La cellule polaire

Au-dessus des pôles, des cellules analogues à la cellule de Hadley existent : ce sont les cellules polaires. Elles se forment suivant des caractéristiques convectives. Mais là où, à l'équateur, c'est la remontée de grandes quantités d'air chaud et humide vers la tropopause et la faiblesse de la force Coriolis qui impulsent la formation de la cellule de Hadley, au niveau des pôles, c'est la froideur et la densité de l'air situé au niveau de la tropopause au-dessus des pôles, là où la force de Coriolis est la plus forte, qui entraine un plongement des masses d'air glaciales et arides vers la surface. Cet air froid et sec longe la surface de la Terre, s'humidifie et se réchauffe au contact de l'océan, et la boucle se met en place.

Les cellules polaires se situent environ entre 60° et 90° nord et sud. La description détaillée de la convection en jeu est très proche de celle décrite pour les cellules de Hadley, même si le point de départ n'est pas le même :

(e) : L'air glacé et aride situé au niveau de la tropopause (à seulement 8,5 km d'altitude dans cette zone) au-dessus des pôles, soumis au maximum de la force de Coriolis, descend jusqu'à la surface.
(f) : Au contact de la surface et de l'océan, l'air froid et aride des pôles se réchauffe et s'humidifie.
(g) : Vers 60°N, l'air est suffisamment chaud et humide pour remonter vers le sommet de la troposphère. Une zone de dépression se crée et des précipitations abondantes se mettent en place dans cette zone.
(h) : L'air longe alors la tropopause, se refroidit et s'assèche.
(e) : Puis il redescend encore et la boucle peut perdurer.

La cellule de Ferrel

Entre les cellules polaires et les cellules de Hadley, il existe également des cellules atmosphériques : les cellules de Ferrel. Ces cellules sont une résultante de l'existence des cellules polaires et de Hadley. Les vents dominants y sont des vents d'ouest.

Conséquences de l'existence de ces cellules atmosphériques

Quand on regarde les différents schémas présentés ci-dessus, on se rend compte qu'il y a deux régions du monde dans lesquelles l'air plonge vers la surface après s'être refroidi et asséché contre la tropopause :

Au niveau des pôles :
- Le désert Arctique (toundra sibérienne...) dans l'hémisphère nord ;
- Le désert Antarctique dans l'hémisphère sud.
Entre la cellule de Hadley et la cellule de Ferrel :
- Les déserts du sud des Etats-Unis, du Saraha et de Gobi dans l'hémisphère nord ;
- Les déserts d'Australie et des hauts plateaux andins dans l'hémisphère sud.

À l'inverse, dans les zones de dépression où l'air chaud et chargé d'humidité remonte vers la haute troposphère, la baisse de pression et de température induit une condensation de l'eau qui précipite alors sous forme de pluies abondantes. Cela donne les zones luxuriantes de l'équateur et les sols riches et fertiles des zones tempérées.

Jet stream de la haute troposphère

Enfin, au niveau de la tropopause, entre les cellules de circulation atmosphérique, existent des vents d'ouest : les courants jet (ou jet stream). Ces vents, engendrés par la force de Coriolis, sont assez aléatoires dans leur position (la représentation schématique ci-dessous n'est pas fidèle de ce point de vue là, car les jet stream serpentent autour de la Terre, mais rien n'est parfaitement linéaire sur Terre et un schéma reste une représentation simplifiée). Dans les régions polaires, le jet stream circule entre 100 et 400 km/h (ce qui le rend bien utile pour les vols long courrier). Dans les régions tropicales, ce courant est plus paisible, entre 50 et 100 km/h.

Ces conditions sont-elles constantes au fil du temps ?

Rien sur Terre n'est éternel.
Les courants atmosphériques ont varié au fil des temps géologiques. D'un point de vue humain, anthropique, cette circulation moyenne, somme toute relativement constante dans le temps, présente cependant des variations très nettes tous les 2 à 7 ans qui impactent l'ensemble du système climatique et météorologique terrestre : ces variations sont dues à l'influence de l'ENSO, El Niño Southern Oscillation, ou l'Oscillation Australe d'El Niño.

Pour en apprendre plus sur cette question, n'hésitez pas à aller découvrir ces chapitres !