La circulation atmosphérique pour les nuls

Je ne suis ni météorologue ni encore moins climatologue, juste un pékin qui tente de s'informer.

J'ai donc beaucoup de choses en commun avec AntonioSan, mais apparemment ce qui nous différencie pour l'essentiel c'est que lui ne tente même pas de s'informer, autrement nous sommes tous les deux à peu près aussi nuls en sciences en général et en climatologie en particulier.

J'ai déjà à de nombreuses reprises mentionné l'ouvrage Climats, passé, présent, futur co-écrit par deux enseignantes, ce qui a priori dément l'affirmation ci-après :

52. AntonioSan | 17/08/2018 @ 17:16

La figure 4 est bien sur depassee.
Lire

La figure en question est, je le rappelle, la suivante :

Les deux Jet Stream (Polaire et Subtropical) sont liés entre eux. Lorsque le jet polaire passe d’une circulation zonale à une circulation méridionale, cela affectera aussi le jet subtropical qui tire l’humidité de l’équateur et affaiblira les alizés. Cela affectera les principaux cycles de crues de l’Hémisphère Nord comme celles du Nil et les moussons indiennes dont dépend une grande partie de l’alimentation mondiale. Ainsi alors que pénuries ou famines dans la cellule de Ferrel (30° à 60° N) sont causées par des saisons de croissance écourtées, freshets et météos erratiques, les famines de la Cellule de Hadley Nord (0° à 30° N) peuvent être causées par des crues majeures.

J'avais répondu au sieur AntonioSan :

La figure 4 est tellement dépassée qu'elle est encore enseignée de nos jours, mais chut ne le dites surtout pas à AntonioSan, cela pourrait le perturber ! Quant à Marcel Leroux, inconnu au bataillon des météorologues (sans parler des climatologues)

Je donnais alors le lien vers un site anglais, seas.harvard.edu, que je qualifierai d'un peu plus sérieux que, disons au hasard, WUWT ou Skyfall, parmi quelques autres prospérant sur l'ignorance et/ou l'idéologie de lecteurs peu regardants et trop fainéants pour vérifier ce qu'on leur raconte.

Le modèle de circulation atmosphérique avec ses différentes cellules (Hadley, Ferrel et polaire) est donc bien enseigné actuellement, contrairement aux anticyclones mobiles polaires (AMP) imaginés par feu Marcel Leroux qui pensait révolutionner la climatologie en la mélangeant avec la météo et en affirmant qu'on pouvait facilement prévoir le temps rien qu'en regardant des cartes (je résume mais si je ne me trompe pas c'est à peu près l'essentiel de la pensée de Leroux)

La figure ci-dessus, montrant la circulation atmosphérique en coupe verticale allant de l'équateur au pôle Nord, est d'ailleurs reprise telle quelle, en français, dans le livre Climats, passé, présent, futur. On y voit également, juste à côté sur la droite, la schématisation des deux courants jets, le polaire et le tropical, représentés sur un globe terrestre, avec les ondulations qui les caractérisent.

Voici quelques extraits du livre (à partir de la page 41, le mot pour mot est entre guillemets) ne retenant que ce qui me parait le plus important.

« Les forces qui agissent » sont de deux sortes :

• « Les mouvements verticaux » qui sont « gouvernés par la poussée d'Archimède, qui fait monter ou descendre les masses de fluide selon leur densité relative » ; comme Tsih s'évertuait à le dire « c'est le chauffage des masses d'air par la surface de la Terre qui initie la montée de l'air ».
• « Les mouvements horizontaux » qui répondent au second principe de la thermodynamique, à savoir que les transferts de chaleur s'effectuent du plus chaud vers le plus froid, donc depuis les régions les plus chauffées situées à l'équateur vers les régions les moins chauffées situées aux pôles ; « sur ces grandes distances, les déplacements sont fortement influencés par la force de Coriolis » dont l' « action sur les mouvements horizontaux s'avère maximale aux pôles et nulle à l'équateur ».

Après avoir indiqué les principales composantes de l'atmosphère et précisé que l'azote, l'oxygène et l'argon, qui représentent à eux trois 99,9% de la masse atmosphérique, sont chimiquement peu réactifs, tout comme le CO2, le méthane et le protoxyde d'azote, contrairement à la vapeur d'eau et à l'ozone, les auteures expliquent les différences entre troposphère et stratosphère qui se comportent de manière radicalement différente.

Dans la troposphère « la convection y règne en maitre » alors que la stratosphère est stratifiée (d'où son nom) et aucun mouvement vertical significatif ne peut y avoir lieu.

On nous explique succinctement le phénomène du gradient adiabatique : « l'air est en grande partie transparent au rayonnement solaire : il n'absorbe que peu ce rayonnement, contrairement à la surface […] qui alors se réchauffe » ; « l'atmosphère est ainsi chauffée par le bas. Les masses d'air chaudes devenues moins denses s'élèvent: la convection prend place. En s'élevant rapidement, la pression diminue, ces masses d'air se refroidissent par détente adiabatique ».

A noter que d'après ce passage, tel qu'il est rédigé, on pourrait en déduire que « la pression diminue » PARCE QUE « les masses d'air chaudes s'élèvent » ; je pense que c'est une formulation incorrecte qui prête à confusion, car à ma connaissance la pression diminue avec l'altitude parce que le poids de l'air au-dessus devient de moins en moins lourd (j'espère ne pas dire de bêtise, mais je suis sûr qu'il y a des lecteurs attentifs qui sauront me corriger si besoin est) ; pour reformuler ce passage du livre : le rayonnement solaire chauffe la surface, laquelle chauffe à son tour par conduction l'air immédiatement en contact avec elle mais très rapidement c'est la convection qui prend le relais avec la poussée d'Archimède comme principe directeur, l'air plus chaud et donc moins dense s'élève et au fur et à mesure qu'il s'élève se détend à cause de la pression moindre et ce faisant se refroidit.

Nous en arrivons au menu principal, « la circulation atmosphérique : une organisation à caractère zonal » (page 45)

Je n'ai pas retrouvé sur internet les deux dessins représentant les différentes zones (ah ces liens cassés, cela nous promet de belles surprises dans le futur quand la grande majorité des liens auront disparu…) mais je peux vous en montrer un approchant, inclus dans un article datant de 2016 :

The Hadley cells describe how air moves through the tropics on either side of the equator. They are two of six major air circulation cells on Earth. (NASA)

Et encore plus ressemblant à celui figurant dans le livre, celui-ci dans un article de 2014 :

Source lessthan3ley

Quand on examine tous ces dessins et schémas on comprend bien pourquoi Marcel Leroux semble avoir inventé l'eau chaude avec ses AMP, les pôles sont de toute évidence soumis à des hautes pressions qui ne peuvent que s'évacuer en direction de plus basses latitudes ; on remarquera aussi les « fronts polaires » qui sont toujours mentionnés, donc d'actualité, ainsi que nos deux auteures nous le confirment page 47 quand elles écrivent que « l'air froid s'écoule dans la basse troposphère vers une zone  de basse pression située en général à des latitudes plus basses. Là, il rencontre de l'air plus chaud, donnant naissances aux tempêtes le long du front polaire, vers les latitudes 50-60° ». 

« le long du front polaire », ah ! et que disait donc l'ami AntonioSan ?

Que dans le pays de Marcel Leroux, les institutions et leurs représentants continuent à enseigner et à défendre des concepts aussi éculés que le Front Polaire, est simplement inacceptable et anti-scientifique.

Je recommande à AntonioSan de se rapprocher des deux auteures et de leur demander des explications, autrement il peut aussi s'inscrire à un cours sur le sujet, ça lui demandera 50 à 75 heures de son temps mais c'est gratuit, c'est ici chez meted.ucar.edu (le .edu c'est pour bien signifier que c'est pour éduquer les gens qui en ont besoin, comme notre loustic) ; voici quelques schémas qui lui seront proposés :

Global Circulation

What drives the weather? It's all about the Sun and the distribution of its energy when it reaches the Earth's atmosphere and surface. The Sun’s rays reach Earth at a perpendicular angle to the surface near the equator, and at a slanted angle (less than 90°) near the poles. The same amount of energy is therefore distributed over a smaller area at the equator and over a larger area at the poles. These differences result in the equator being warmer, while the poles are cooler.

This uneven distribution of incoming solar energy creates an imbalance of temperatures which in turn is the driver behind a few dominant global circulations. One of these major circulations is the Hadley Cell, which transports heat poleward from the equator to the subtropics. Other major circulation features include the Ferrel Cell at the midlatitudes, and the Polar Cell at the polar latitudes. The Walker Circulation moves air in east-west directions and vertically in the tropics.

At a global scale, the differences in solar heating in the tropics versus the poles contribute to dominant circulations that result in persistent areas of high pressure (sinking air) and low pressure (rising air). These circulations set up the dominant wind patterns across the globe which in turn are primary factors in local weather. Key features to recognize are the northeasterly and southeasterly trade winds near the equator. These trade winds converge in the Intertropical Convergence Zone (ITCZ), an important component in tropical weather. At the midlatitudes, westerly winds (blowing from west to east) prevail. These overall westerly winds are particularly apparent at upper levels of the atmosphere.

Global Circulation » Jet Streams

Upper-level winds at and poleward of the midlatitudes blow in a generally west-to-east direction in both hemispheres. Where these winds are concentrated into relatively narrow bands, the wind speeds increase, forming what is known as a jet stream.

Jet stream winds follow the general west-to-east larger circulation, but the flow can shift northward or southward depending on the locations of major weather features. A jet stream essentially marks the boundary between warmer air and cooler air. Because these temperature boundaries are most pronounced in winter, jet streams are the strongest in winter in both the northern and southern hemispheres. Jet stream winds are typically between 185-278 km/h (115-173 mph or 100-150 knots), but can reach speeds of more than 442 km/h (275 mph or 239 knots).

Both hemispheres have a polar jet located in the 50°-60° latitude region at about 10 km in altitude. Subtropical jets are located at around 30° latitude in each hemisphere and about 13 km in altitude.

Evidemment aucune mention des AMP Lerouxiens (MPH in English), à ne pas confondre avec les miles per hour (mph) qu'on peut éventuellement rencontrer, bref comme j'ai déjà eu l'occasion de le dire, les AMP sont inconnus au bataillon.

Quant au front polaire rendons justice à AntonioSan, il n'est pas mentionné dans ce cours de météo, pas plus que les AMP (ou MPH) et on ne le rencontre pas davantage dans cet autre cours où on parle de fronts froids, chauds, stationnaires, occlus ou dryline (?)

Cependant j'ai comme l'impression qu'il y a plusieurs écoles qui s'affrontent pour parler en fait des mêmes choses mais en les désignant de manière différente, ainsi le « front polaire » semble venir de l'« école norvégienne » qui explique qu'il y a cinq masses d'air séparées par quatre fronts (source wikipedia) :

1. le front arctique 2 : sépare l'air continental arctique (cA) (au-delà de 60 degrés nord et sud) de l'air maritime arctique (mA) ; 
2. le front arctique : sépare l'air maritime arctique (mA) de l'air continental polaire (cP) (entre 40 et 60 degrés de latitude) ; 
3. le front maritime : sépare l'air continental polaire de l'air (cP) de celui maritime polaire (mP) ; 
4. le front polaire : sépare l'air maritime polaire (mP) de l'air maritime tropical (mT).

Masses d'air et fronts

Mais on nous dit aussi qu'« à cause de la circulation de l'air le long de ces fronts, on distingue différents types de fronts » :

• le front chaud est la zone où l'air de la masse d'air la plus chaude est déplacée vers celle plus froide ;
• le front froid est l'endroit où la masse d'air froid se déplace vers celle plus chaude ; 
• un front stationnaire est la limite entre de vastes masses d'air chaud et froid qui sont en contact entre elles sans produire de mouvements relatifs d'une grande portée car les vents dans chacune des masses d'air sont parallèles au front (par exemple les fronts océaniques) ; 
• un front occlus se développe lorsqu'un système météorologique s'intensifie et que son front froid accélère de sorte qu'il rattrape le front chaud. Lorsque le front froid atteint le front chaud, l'air chaud devient de plus en plus pincé ou coincé entre les deux fronts en altitude ; 
• un trowal est le creux d'air chaud en altitude créé par le front occlus. Il se retrouve légèrement à l'arrière de celui-ci. En effet, la position du front occlus est celle qu'aurait le front froid coincé sous l'air chaud. Ce concept est utilisé dans certains pays comme le Canada et la Grande-Bretagne.

Et là on retrouve la classification vue plus haut, avec dryline qui semblerait traduit par trowal, mais non si on consulte ce site :

Weather map symbols:

1. cold front;
2. warm front;
3. stationary front;
4. occluded front;
5. surface trough;
6. squall/shear line;
7. dry line;
8. tropical wave;
9. trowal

Cela vous semble compliqué et vous n'y pipez pas grand chose ? Pas de problème, demandez à AntonioSan, il connait tout ça sur le bout de doigts et se fera un plaisir de vous l'expliq…pardon, de vous dire de lire toute l'œuvre de Marcel Leroux, tout est dedans, vous n'avez qu'à fouiller et vous trouverez votre bonheur.