L’observation quotidienne des cartes météorologiques à nos latitudes révèle que l’air circule d’une façon très caractéristique à grande échelle. Premièrement, il tourne autour des maximas et des minimas de pression, et deuxièmement, il le fait dans un sens bien précis. Nous allons voir ce qui explique cette organisation fondamentale de la circulation atmosphérique.
En visualisant les champs de pression et de vent à grande échelle, on remarque très vite qu’en dehors de la zone équatoriale, le mouvement de l’air se fait dans le sens des aiguilles d’une montre autour d’un maximum de pression, et dans le sens inverse des aiguilles d’une montre autour d’un minimum de pression. Cela n’est toutefois valable que pour une observation faite sur l’hémisphère nord, car dans l’hémisphère sud la relation est inversée avec la présence d’une rotation horaire autour d’une basse pression et antihoraire autour d’une haute pression. Au cours de ce mouvement tourbillonnaire, le vent reste quasiment parallèle aux isobares. Pour rappel, les isobares sont les lignes rejoignant les valeurs de pression identiques à une altitude donnée. De plus, le vent est d’autant plus fort que le gradient de pression est important – ou, de manière équivalente, que les isobares sont resserrées.
Ainsi, en se plaçant dos au vent dans l’hémisphère nord, on en déduit que les basses pressions se trouvent du côté gauche et que les hautes pressions se trouvent du côté droit. Cette propriété de l’écoulement atmosphérique de grande échelle a d’abord été théorisée par William Ferrel, puis validée empiriquement par Christoph Buys-Ballot, un météorologiste néerlandais, qui l’a publiée en 1857. On parle depuis de règle ou loi de Buys-Ballot pour la désigner. En dehors des latitudes équatoriales, elle permet de se faire une bonne idée du vent moyen en se basant uniquement sur la pression. En effet, comme le vent est quasiment parallèle aux isobares et proportionnel à leur resserrement, une simple carte du champ de pression à grande échelle est suffisante pour en faire une bonne estimation. Inversement, l’observation du champ de vent permet de se faire une bonne idée de l’allure du champ de pression. Avant l’arrivée de la prévision météorologique moderne, cette règle empirique était très utilisée par les navigateurs, qui pouvaient par exemple anticiper l’évolution du temps à court terme et éviter une tempête.
Pourquoi le vent tourne-t-il dans le sens inverse des aiguilles d’une montre autour d’une dépression et dans le sens des aiguilles d’une montre autour d’un anticyclone dans l’hémisphère nord ?
Tout simplement à cause de la rotation de la Terre ! Si elle tournait dans l’autre sens, le mouvement de l’air autour des hautes et basses pressions serait inversé.
Pour être plus explicite, rappelons que l’air tend naturellement à circuler des zones de hautes pressions vers les zones de basses pressions. Il va donc avoir tendance à « sortir » des anticyclones et à « rentrer » dans les dépressions, ce qui va limiter voire combler le déséquilibre initial du champ de masse. Ce processus fonctionne très bien dans la zone équatoriale et les tropiques profonds où la rotation de la Terre n’a que peu d’effet sur l’écoulement – l’air circule presque directement d’un extremum à un minimum. En conséquence, les gradients de pression y sont en moyenne très faibles. En dehors des très basses latitudes, la rotation de la Terre gène le rééquilibrage en déviant le mouvement vers la droite dans l’hémisphère nord et vers la gauche dans l’hémisphère sud. Cette déviation est due à ce que l’on appelle communément la force de Coriolis, une force d’inertie due à la rotation de notre planète. Elle est proportionnelle à la vitesse, c’est-à-dire que plus un objet se déplace vite, plus la déviation est importante.
Prenons un exemple. Imaginons une particule d’air quittant un anticyclone : elle est accélérée par la force de pression et se dirige vers l’extérieur dans une direction donnée. À mesure que sa vitesse augmente, elle va être déviée de plus en plus fortement vers la droite par la force de Coriolis, ce qui créera bien une courbure dans le sens des aiguilles d’une montre (voir schéma ci-dessous). Un raisonnement similaire peut être fait pour une particule qui quitte une zone cyclonique. Dans l’hémisphère sud, la déviation se fait vers la gauche et on aboutit donc à des rotations inversées.
La règle de Buys-Ballot et les propriétés générales qu’elle décrit se démontrent mathématiquement par la proximité de l’écoulement atmosphérique avec ce que l’on appelle l’équilibre géostrophique*. Ce dernier décrit un équilibre horizontal parfait entre la force de pression et la force de Coriolis. Le vent théorique qui est résulte est à tout instant parfaitement parallèle aux isobares, et possède une vitesse proportionnelle à leur resserrement : on parle de vent géostrophique. Bien que théorique, il approxime en moyenne le vent réel à 90 %, ce qui signifie que l’atmosphère s’en éloigne globalement assez peu. Les 10 % restants correspondent au vent qui n’est pas en équilibre géostrophique, on parle de vent agéostrophique. C’est lui qui est responsable de l’évolution des structures atmosphériques, car une circulation en parfait équilibre serait stationnaire, il n’y aurait donc plus de météo !
Il reste que l’approximation géostrophique traduit de façon plus physique ce qui est énoncé par la règle de Buys-Ballot, ou simplement déduit de l’observation que tout un chacun peut faire en visualisant une carte météorologique. L’équilibre géostrophique s’obtient par un développement en ordre de grandeur des équations primitives atmosphériques où seuls les termes dominants de force de pression et de Coriolis sont considérés, lesquels se compensent exactement. Nous n’approfondirons pas ce point plus loin, car cela se complique très rapidement. Finalement, derrière des observations et des raisonnements en apparence très simples se cache une complexité souvent insoupçonnée. Pensez-y la prochaine fois que vous verrez un bulletin météo !
* En toute rigueur, l’équilibre géostrophique vaut pour les écoulements rectilignes. Pour les écoulements courbés, on parle d’équilibre du vent du gradient – un équilibre théorique qui fait intervenir la force centrifuge en plus. Toutefois, son expression et sa démonstration sont plus complexes et comme l’approximation géostrophique fournit une bonne estimation du vent même en écoulements courbés, elle est bien moins fréquemment mentionnée.
Source : Fondamentaux de Météorologie & Meteorology for Scientists and Engineers.
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