Pourquoi le vent souffle : pression, Coriolis et circulation globale

À l'été 1735, quelque part à l'ouest des îles Canaries, un brick de bois filait vers l'ouest sous une brise d'est régulière. Le vent ne semblait jamais changer d'avis. C'était le même alizé qui poussait depuis deux siècles les navires ibériques, néerlandais et anglais à travers l'Atlantique, le tapis roulant fiable de l'âge de la voile. Un capitaine pouvait planifier sa traversée autour de lui, car il était toujours là, soufflant toujours à peu près du même quartier, jour après jour après jour.

Cette même année, à Londres, un avocat quaker et philosophe de la nature amateur du nom de George Hadley se présenta devant la Royal Society et lut un court mémoire affirmant que ce vent n'était pas du tout un caprice de la météo. C'était, prétendait-il, le bras de surface d'une vaste circulation qui enveloppait la planète entière, entraînée par la chaleur du Soleil et infléchie par la rotation de la Terre. La brise qui poussait ce seul brick était un fil visible d'une machine de la taille d'un hémisphère. Alors pourquoi le vent souffle-t-il, et pourquoi souffle-t-il là où il souffle et de la manière dont il souffle ?

L'air dévale toujours une pente de pression

Débarrassé de ses complications, le vent est une chose simple. C'est de l'air qui s'écoule des endroits où la pression est élevée vers les endroits où la pression est basse. La force qui anime cet écoulement est la force de gradient de pression, et elle agit exactement comme l'eau qui descend une pente : plus la pente est raide, plus le mouvement est rapide. Là où deux régions de l'atmosphère ne présentent qu'une faible différence de pression, le vent est doux. Là où la différence est grande et concentrée sur une courte distance, le vent hurle.

La question suivante est de savoir d'où viennent ces différences de pression au départ, et la réponse est la lumière du Soleil. Le Soleil chauffe la Terre de façon inégale. L'équateur reçoit le rayonnement presque de face tout au long de l'année, tandis que les pôles reçoivent les mêmes rayons étalés sous un angle rasant et sur une surface bien plus vaste. L'air réchauffé près de la surface se dilate, si bien que la colonne d'air au-dessus d'une parcelle de sol chaude occupe plus de hauteur et appuie différemment que la colonne au-dessus d'une parcelle froide. Le chauffage inégal produit une dilatation inégale de la colonne d'air dressée au-dessus de chaque mètre carré de surface, et cette dilatation inégale produit les différences de pression que le vent cherche ensuite à effacer. Le Soleil, en somme, ne cesse d'incliner la table, et l'air ne cesse de glisser dessus.

La rotation de la planète infléchit tout ce qui bouge

Si la pression était toute l'histoire, le vent soufflerait en ligne droite des hautes vers les basses pressions et l'affaire serait réglée. Ce n'est pas le cas, et la raison en est que la surface qu'il parcourt est en rotation. La Terre tourne vers l'est une fois toutes les vingt-quatre heures, et sur une sphère en rotation tout objet qui se déplace librement à la surface semble s'écarter en courbe d'une trajectoire rectiligne. Dans l'hémisphère Nord, la déviation se fait vers la droite du sens du mouvement ; dans l'hémisphère Sud, elle se fait vers la gauche.

Cette inflexion apparente est l'effet Coriolis, nommé d'après Gaspard-Gustave de Coriolis, l'ingénieur et mathématicien français qui en établit le formalisme mathématique en 1835. Deux caractéristiques de cet effet importent pour comprendre le vent. D'abord, son intensité dépend de la latitude : elle est nulle à l'équateur et atteint son maximum aux pôles, si bien qu'un même vent ne subit presque aucune déviation sous les tropiques et une déviation puissante aux hautes latitudes. Ensuite, il agit sur tout ce qui est en mouvement libre soutenu à travers la planète, et pas seulement sur l'air, ce qui explique qu'il infléchisse aussi les courants océaniques et la trajectoire des obus d'artillerie à longue portée. Sans l'effet Coriolis, le vent irait tout droit des hautes vers les basses pressions. Avec lui, l'écoulement se tord en ces grands motifs courbes que nous observons réellement à la surface, et l'alizé qui portait le brick imaginé par Hadley devient non pas une poussée rectiligne mais une poussée infléchie.

La boucle de Hadley et le moteur des tropiques

L'apport de Hadley fut de voir le vent tropical comme une partie d'une boucle. Dans son mémoire de 1735, il proposa que l'intense chauffage solaire le long de l'équateur entraîne un seul grand circuit de convection dans chaque hémisphère. L'air chaud et humide s'élève le long de l'équateur, grimpe jusqu'au sommet de la basse atmosphère et s'étale vers les pôles. En se déplaçant, il se refroidit et devient plus dense, jusqu'à ce que, vers trente degrés de latitude, il redescende vers la surface. Là, il tourne et reflue vers l'équateur près du sol, et ce faisant la rotation de la Terre l'infléchit vers l'ouest, produisant les alizés d'est réguliers qui poussaient les voiliers européens à travers l'Atlantique.

Ce circuit est la cellule de Hadley, et c'est ce que l'atmosphère possède de plus proche d'un moteur thermique que l'on pourrait dessiner sur une seule page : chaleur entrante à l'équateur, ascension, écoulement vers les pôles en altitude, descente aux latitudes subtropicales et courant de retour à la surface infléchi en alizés. Les deux forces des sections précédentes y sont visibles toutes les deux à la fois. La force de gradient de pression soulève et fait circuler l'air parce que l'équateur est chaud et de basse pression à la surface tandis que les subtropiques sont frais et de haute pression ; la déviation de Coriolis infléchit l'écoulement de retour en surface pour en faire un flux d'est plutôt qu'un flux rectiligne vers le nord ou vers le sud. Le même couplage réapparaît bien plus haut, là où les contrastes de température les plus marqués près du sommet de la basse atmosphère engendrent les vents les plus rapides et les plus concentrés de la planète.

Trois cellules, trois ceintures de vent

Hadley avait raison pour les tropiques, mais une seule boucle ne peut atteindre les pôles. Le tableau fut complété en 1856 par le météorologue américain William Ferrel, qui ajouta deux cellules supplémentaires dans chaque hémisphère. Le résultat est le modèle à trois cellules : la cellule de Hadley s'étendant de l'équateur jusqu'à environ trente degrés, la cellule de Ferrel d'environ trente à soixante degrés, et la cellule polaire de soixante à quatre-vingt-dix degrés. Les cellules s'engrènent comme des rouages, la branche descendante de l'une alimentant la branche ascendante de la suivante, de sorte que tout l'hémisphère est carrelé de l'équateur au pôle.

Chaque cellule imprime un vent caractéristique sur la surface qu'elle surplombe. Sous la cellule de Hadley soufflent les alizés d'est. Sous la cellule de Ferrel soufflent les vents d'ouest dominants des latitudes moyennes. Sous la cellule polaire soufflent les vents d'est polaires. Ces trois ceintures ne sont pas des bizarreries régionales ; elles sont la signature de surface de la circulation globale, et elles apparaissent à peu près aux mêmes endroits sur chaque océan et chaque continent parce que la physique qui les produit est partout la même. Le modèle est une idéalisation, un schéma net posé sur une planète désordonnée, mais il saisit le squelette de la façon dont l'air se déplace autour du monde.

Pourquoi la latitude décide du climat

Parce que chaque cellule produit un vent de surface particulier et une caractéristique de pression particulière, la circulation à trois cellules organise le climat de la planète entière en bandes qui courent parallèlement à l'équateur. Connaître la latitude d'un lieu en dit étonnamment long sur sa météo avant même que l'on sache quoi que ce soit d'autre à son sujet, et la raison en est la cellule qui le surplombe.

Deux bandes l'illustrent de façon frappante. Autour de trente degrés de latitude, dans les deux hémisphères, l'air de la cellule de Hadley descend. L'air descendant se réchauffe et s'assèche en se comprimant, ce qui supprime nuages et précipitations, et c'est précisément le long de ces branches descendantes que s'égrènent les grands déserts du monde : le Sahara, les déserts d'Arabie, les déserts du sud-ouest américain et de l'Australie, tous regroupés près de trente degrés. Autour de soixante degrés, au contraire, l'air polaire froid rencontre l'air plus chaud des latitudes moyennes le long du front polaire, et cette zone de collision est l'endroit où vivent les principales trajectoires de tempêtes du monde, engendrant le défilé des systèmes dépressionnaires qui donne aux latitudes moyennes leur temps changeant et venteux. Déserts à trente, tempêtes à soixante : la géographie découle des cellules.

Les alizés et les vents d'ouest dominants méritent qu'on s'y arrête un instant, car les confondre est l'erreur la plus courante de toute la géographie atmosphérique. Ce sont tous deux des vents de surface, mais ils appartiennent à des cellules différentes, soufflent dans des directions opposées et ont bâti deux mondes maritimes très différents. Les alizés soufflent d'est en travers des tropiques, et les vents d'ouest soufflent d'ouest en travers des latitudes moyennes. Les voiliers exploitaient les deux, chevauchant les alizés d'est à l'aller à travers les basses latitudes et attrapant les vents d'ouest pour le trajet de retour aux latitudes plus élevées, ce qui explique pourquoi les grandes routes commerciales de l'âge de la voile tracent d'immenses boucles plutôt que des lignes droites à travers les océans.

Courants-jets et limites d'un modèle bien ordonné

Les cellules ont aussi un pendant en haute altitude qui façonne le temps bien plus bas. Aux frontières entre les cellules, près du sommet de la basse atmosphère, à la tropopause située à environ neuf à douze kilomètres d'altitude, le contraste de température de part et d'autre de la frontière est le plus marqué, et là où les gradients de température sont les plus raides, le vent est le plus rapide. Le résultat, ce sont les courants-jets, d'étroits rubans de vent d'ouest à grande vitesse. Le jet polaire court près de soixante degrés et le jet subtropical près de trente degrés, et tous deux peuvent atteindre des vitesses de deux cents à quatre cents kilomètres à l'heure. Ils orientent la trajectoire de pratiquement chaque système météorologique des latitudes moyennes, ce qui explique pourquoi les prévisionnistes les surveillent de si près.

Deux mises en garde maintiennent ce tableau honnête. La première concerne un mythe célèbre. L'effet Coriolis infléchit bel et bien les vents, les courants océaniques et les obus d'artillerie, mais il ne décide pas du sens dans lequel l'eau tourbillonne en se vidant d'une baignoire ou d'une chasse d'eau. À l'échelle d'un évier, l'effet est totalement noyé par la géométrie de la cuvette, la forme de la bonde et la façon dont l'eau se déplaçait à son arrivée. L'histoire de la baignoire ne survit que parce que la version par points cardinaux est facile à retenir, non parce que la physique tient debout quand on la réduit à cette échelle. La seconde mise en garde est plus large : le modèle à trois cellules est une idéalisation, pas une photographie. L'atmosphère réelle est morcelée par la disposition irrégulière des terres et des océans, par la migration saisonnière nord-sud de la zone de convergence intertropicale où se rencontrent les alizés, par les moussons entraînées par les rythmes différents auxquels les terres et la mer se réchauffent et se refroidissent, et par des oscillations d'une année sur l'autre comme El Niño et le dipôle de l'océan Indien qui modulent l'ensemble du système. Les cellules sont l'ossature à laquelle le temps se suspend, non sa description complète.

À retenir

Le vent est de l'air qui s'écoule des hautes pressions vers les basses pressions sous l'effet de la force de gradient de pression, laquelle existe parce que le Soleil chauffe la Terre de façon inégale et que ce chauffage inégal dilate la colonne d'air différemment d'un endroit à l'autre ; la planète en rotation dévie ensuite cet écoulement par l'effet Coriolis, vers la droite dans l'hémisphère Nord et vers la gauche dans l'hémisphère Sud, nul à l'équateur et maximal aux pôles. George Hadley esquissa la boucle tropicale en 1735, Gaspard-Gustave de Coriolis établit le formalisme de la déviation en 1835, et William Ferrel compléta le tableau à trois cellules en 1856, donnant à chaque hémisphère une cellule de Hadley, une cellule de Ferrel et une cellule polaire qui produisent les alizés, les vents d'ouest dominants et les vents d'est polaires, avec de rapides courants-jets d'ouest courant le long des frontières des cellules près de la tropopause. Ces bandes expliquent pourquoi les déserts se regroupent près de trente degrés et les trajectoires de tempêtes près de soixante, pourquoi les alizés et les vents d'ouest soufflent dans des directions opposées, et pourquoi la latitude est un prédicteur aussi puissant du climat ; mais le modèle est une idéalisation que les terres, les océans, la migration de la zone de convergence intertropicale, les moussons et des cycles comme El Niño viennent tous compliquer, et il ne régit pas, malgré la légende, le tourbillon d'un évier qui se vide.