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Comprendre la force de Coriolis et son rôle dans la dynamique de l’atmosphère et de l’océan

Crédits : Pixy.org.

La force de Coriolis due à la rotation terrestre est une contrainte forte sur le mouvement de l’atmosphère et de l’océan. En dépit de cette importance, l’interprétation physique de cet effet reste un sujet difficile. Dans cet article, nous présentons le mécanisme physique à l’origine de la déviation de Coriolis. Nous nous placerons dans l’hémisphère nord et verrons que ce phénomène n’est pas qu’une simple illusion d’optique comme on peut parfois l’entendre. Pour plus d’informations, le lecteur est invité à consulter les ressources présentées en bas de page.

La rotation de la Terre est un facteur essentiel qui explique pourquoi la dynamique des fluides géophysiques est si peu intuitive. Lorsqu’ils sont soumis à un chauffage différentiel – températures plus élevées aux tropiques qu’aux pôles –, l’océan et l’atmosphère se mettent en mouvement. Cependant, aux grandes échelles, ces fluides ne possèdent qu’une liberté de mouvement limitée. En effet, ils subissent inévitablement les contraintes issues de leur appartenance à une sphère en rotation.

Organisation de la circulation générale

Ces contraintes fortes* expliquent la présence d’une structuration très particulière de la circulation atmosphérique et océanique à grande échelle. C’est-à-dire dès le millier de kilomètres. Citons entre autres les cellules de Hadley dont la limite polaire marque la ceinture des déserts autour de 30 °N / 30 °S, la présence du courant-jet d’ouest aux moyennes latitudes, l’alternance des dépressions et anticyclones qui l’accompagnent ou encore les courants océaniques de bords ouest comme le Gulf Stream. En résumé, la circulation atmosphérique du monde tropical s’organise en grandes cellules thermiques tandis que celle du monde extratropical prend la forme de grands enroulements spiralés. Ce schéma global résulte d’un équilibre très fin entre la force de pression liée au chauffage différentiel et l’effet Coriolis lié à la rotation du globe. On parle à ce titre d’équilibre quasi-géostrophique.

Représentation schématique de la circulation atmosphérique générale. Des organisations cellulaires (type cellule de Hadley, représentée à gauche) dominent la zone intertropicale. Les flèches grises indiquent les alizés. La zone extratropicale est, au contraire, le théâtre d’organisations tourbillonnaires complexes se déplaçant d’ouest en est. Crédits : Sylvie Malardel / Météo-France.

Malgré sa popularité, l’effet Coriolis est souvent présenté de manière ambiguë. Plus précisément, bien que sa dérivation mathématique soit assez triviale, l’interprétation physique qu’elle appelle constitue une autre paire de manches. Aussi, on réalisera dans la suite de cet article que la déviation de Coriolis associée à une planète en rotation n’est pas qu’un effet d’optique lié au changement de référentiel comme on l’entend parfois. Loin s’en faut.

Force de Coriolis et cercle d’inertie

L’effet Coriolis peut se résumer simplement. Tout corps subira une déviation vers la droite de son mouvement dans l’hémisphère nord, vers la gauche dans l’hémisphère sud. Celle-ci est essentiellement visible à grande échelle et est d’autant plus marquée que l’objet circule vite et loin de l’équateur. Il faut bien réaliser ici que la déviation finirait par ramener les objets vers leur position initiale.

Ce faisant, si aucune autre force ne s’oppose à la déviation, les éléments décriront approximativement des cercles. On appelle ces derniers des cercles d’inertie. Pour une vitesse initiale de 10 m/s à 60° de latitude, le rayon du cercle n’atteint même pas les 100 kilomètres. De fait, les objets deviennent comme emprisonnés d’une partie de leur environnement – voir l’animation ci-dessous. Sur Terre, la force de pression pousse les particules à se déplacer avec plus de liberté sur des distances bien plus grandes. Mais pas aussi facilement que si la planète était statique.

Mouvement d’une bille dans un dispositif rotatoire où seul l’effet Coriolis est présent. La figure de gauche montre la vue d’un observateur extérieur au dispositif. Celle de droite, la vue d’un observateur prenant part à la rotation (comme nous sur Terre). Notez le cercle d’inertie que décrit la bille. Crédits : cleonis.nl.

Pour bien comprendre la physique de la force de Coriolis, commençons pas étudier le cas d’un objet au repos par rapport au sol. Nous adoptons le point de vue absolu d’un observateur fixe par rapport aux étoiles. Comme le montre la figure ci-après, la gravitation terrestre et la force centrifuge issue de la rotation planétaire s’équilibrent sous la forme d’une gravité effective – on parle également de pesanteur. Elle pointe perpendiculairement au sol et définit la verticale locale. En raison de cet équilibre, la planète s’est légèrement ovalisée au cours de sa formation. Afin d’étudier les mouvements horizontaux, on peut décomposer chaque force en composantes horizontales (cf. figure ci-après).

force de Coriolis
Composantes horizontales (H) et verticales (V) des forces de gravité (G) et centrifuge (CN). Notez la forme ovoïde du globe, ici volontairement exagérée. Crédits : Roland B. Stull.

Notons au passage qu’à la place de force centrifuge, on devrait plutôt parler d’inertie de l’objet qui, sans la présence de gravitation, continuerait son mouvement en ligne droite en s’éloignant à l’infini. Cette tendance donne l’impression d’une force poussant vers l’extérieur de la trajectoire. Elle se comprend également en termes d’accélération centripète : l’objet est constamment accéléré vers le centre de la Terre. Voilà pourquoi il ne dérive pas en ligne droite à l’infini mais reste solidaire du globe.

Un déséquilibre entre gravitation et force centrifuge

Que se passe-t-il si l’objet est animé d’un mouvement vers l’est ? Mécaniquement, la force centrifuge – son inertie – sera plus élevée et la gravitation, qui n’a pas changé, le retiendra moins efficacement. Par conséquent, il dérivera vers le sud par rapport à la surface sous-jacente (et également vers le haut, mais la composante verticale de l’effet Coriolis ne nous intéressera pas dans cet article). Si au contraire, l’objet est animé d’un mouvement vers l’ouest, la force centrifuge – son inertie – sera plus faible et la gravitation le retiendra plus efficacement. Par conséquent, il dérivera vers le nord. Dans les deux cas, la déviation se fait à la droite du mouvement dans l’hémisphère nord.

force de Coriolis
Physique de l’effet Coriolis pour un mouvement vers l’est (gauche) et vers l’ouest (droite). L’acronyme NP localise le pôle nord avec la Terre vue du dessus. Le cercle en pointillés situe un cercle de latitude. Une flèche blanche représente le mouvement de l’objet par rapport au sol et une flèche grise et rose, son mouvement absolu. La flèche bleue indique la force de gravité horizontale et la flèche rouge, la force centrifuge horizontale. Le déséquilibre entre les deux, dû au mouvement relatif de l’objet, donne lieu à une déviation vers le sud (gauche) ou vers le nord (droite). C’est l’effet Coriolis (flèche verte). Crédits : Roland B. Stull.

Le raisonnement devient plus compliqué pour les mouvements dans la direction nord-sud. Néanmoins, il tient toujours à l’apparition d’un déséquilibre entre l’inertie de l’objet et la gravitation terrestre. Si l’objet se déplace vers le nord, sa trajectoire dans le référentiel absolu formera un arc de cercle coupant les parallèles – voir l’illustration ci-dessous. Aussi, la direction de la force centrifuge change de sorte à ce que la gravitation rééquilibre par une déviation vers l’est. Pour un mouvement vers le sud, le changement d’orientation de la force centrifuge appellera une déviation vers l’ouest. Là encore, cette dernière se fait systématiquement à la droite du mouvement dans l’hémisphère nord. Les mouvements réels subissent la résultante des composantes nord-sud et est-ouest de la force de Coriolis.

force de Coriolis
Physique de l’effet Coriolis pour un mouvement vers le nord. Le sigle NP indique le pôle nord. La légende des flèches est la même que pour la figure précédente. Le déséquilibre entre les forces, dû au mouvement relatif de l’objet, donne lieu à une déviation vers le sud. Crédits : Roland B. Stull.

De la mauvaise interprétation de la force de Coriolis

On comprend dès lors que la force de Coriolis n’est pas un simple effet d’optique ou une manipulation mathématique résultant du changement de référentiel. La gravitation – autrement dit, une vraie force – intervient dans sa dynamique. Par ailleurs, on peut démontrer que la vitesse absolue des objets n’est pas conservée. Un fait qui rend caduque l’explication populaire des alizés qui voudrait que les parcelles d’air accélèrent vers l’ouest car elles arrivent à des latitudes ou la rotation terrestre est plus rapide. Non seulement ce raisonnement donne des valeurs de vent irréalistes, mais il est physiquement erroné. En effet, la variation latitudinale de la vitesse de rotation – plus élevée à l’équateur que près des pôles – n’entre pas en jeu dans le processus. Et les exemples du type ne manquent pas. Il va sans dire que des explications inadaptées préviennent toute compréhension fine de la dynamique de l’atmosphère et de l’océan.

On peut se demander alors pourquoi tant d’ouvrages continuent à les promouvoir. Probablement pour des raisons historiques, mais également dues à la persistance d’une mauvaise interprétation de l’effet Coriolis comme le détaille Anders Persson, expert du sujet au SMHI, dans de nombreux articles.

Enfin, terminons en mentionnant que l’exemple du carrousel ou du plateau tournant, souvent mis en avant pour donner un aperçu visuel de la force de Coriolis est très trompeur. En effet, ce que l’on observe dans ces expérience est principalement le résultat de la force centrifuge. Et pour cause, l’objet s’éloigne rapidement vers l’extérieur en décrivant une spirale élargie. Une installation adaptée permettant de visualiser correctement l’effet Coriolis montrerait au contraire un mouvement localisé et quasi circulaire, n’étant autre que le cercle d’inertie décrit plus haut dans cet article. Ainsi, bien que l’effet Coriolis ait été découvert et compris par son auteur il y a près de 200 ans, il reste de toute évidence des progrès à faire pour en assurer une compréhension fine et partagée. Au bout du compte, l’étude de la dynamique atmosphérique et océanique n’en deviendra que plus limpide.

* La stratification de l’atmosphère – stable à grande échelle – est également importante, mais n’est pas le sujet de cet article.

Sources : How Do We Understand the Coriolis Force ?, Bulletin of the American Meteorological Society / Is the Coriolis effect an ‘optical illusion’ ?, Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society / Meteorology for Scientists and Engineers, Roland B. Stull / Atmospheric Motions, Encyclopedia of Global Environmental Change / An Intuitive Approach to the Coriolis Effect, Kristian Silver.