Cours de Météorologie, dynamiques des enveloppes.

Voilà, comme dans l'ancien Forum d'où je viens, je continue de poster
des cours de Météorologie.
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La force du gradient de pression :


La force qui résulte de la différence de pression entre deux
points est le gradient de pression. Cette force est toujours exercée de la
haute pression vers la basse pression. Elle réfère directement au poids de
l’air dont la pesanteur est directement proportionnelle à la pression. Cette
force est d’autant plus grande que les isobares sont rapprochées. Pour le
dire autrement, son intensité est proportionnelle au gradient de pression,
c'est-à-dire au taux de variation de la pression. Cette force s’exerce
perpendiculairement aux surfaces isobares et dans le sens des pressions
décroissantes (de l’anticyclone vers la dépression). C’est la force motrice
à l’origine du déplacement des masses d’air et donc, à l’origine des vents.





Ainsi, l’on peut penser que l’air se déplace des zones de hautes
pressions vers les zones de basses pressions sous l’impulsion de la force
de gradient de pression. Pourtant, ce n’est pas le cas, une autre force
entre en jeu :

La force de Coriolis

L’expérience du pendule de Foucault a permis de mettre en
évidence la rotation de la Terre via la force de Coriolis. En effet, le plan
d’oscillation du pendule tournait autour d’un axe vertical. (Allez voir ça au
Panthéon).La Terre tourne d’Ouest en Est en 24H, un objet qui se déplace
du pôle jusqu'à équateur sera dévié par rapport la rotation de la Terre.
Il s’agit d’une force d’inertie qui s’applique à tout corps en mouvement se
déplaçant sur un support en rotation (la terre, par exemple). Cette force
agit toujours perpendiculairement par rapport au mouvement. La force de
Coriolis est nulle à l’équateur, maximale aux pôles. Elle agit que sur les
les grands corps (masse d’air par exemple). La force de Coriolis est d’autant
plus grande que le vent est rapide.

Les enroulements diffèrent donc selon l’hémisphère : Dans
l’hémisphère nord, les vents convergent vers le centre dans une
dépression par une rotation dans le sens anti horaire et dans l’hémisphère
sud, c’est l’inverse, le vent souffle dans le sens horaire en s’enroulant
dans les dépressions.









Revenons à notre histoire. Le vent est un déplacement d’air né des
différences de pression existant sur un même plan. Il tend à rétablir
l’équilibre de pression en vidant les anticyclones au profit des basses
pressions. En effet, sur un géoïde (sphère) immobile, le vent dépendrait
uniquement du champ de pression et sa direction serait perpendiculaire
aux isobares et se confondrait avec la force du gradient de pression.
Alors sa vitesse serait proportionnelle à la valeur de l’écart de pression
par unité de longueur.











Hypothèse (fausse) du déplacement des vents.



Toutefois, dès qu’un mouvement s'amorce, la force de Coriolis le fait
dévier, soit vers la droite dans l'hémisphère nord, soit vers la gauche dans
l'hémisphère sud. Plus la vitesse de l'air augmente, plus la force de Coriolis
augmente en accentuant la déviation. Finalement la force de Coriolis
atteint une valeur égale et opposée à celle de la force du gradient de
pression, produisant ainsi un écoulement d'une vitesse constante (sans
accélération), parallèle aux isobares. C'est ce qu'on appelle l'équilibre
géostrophique.



Ainsi le vent géostrophique se définit comme le vent qui résulterait de
l'équilibre géostrophique entre la force de Coriolis et la force du gradient
de pression atmosphérique agissant sur une parcelle d'air. Ce vent
soufflerait parallèlement aux isobares dans l'atmosphère. Mais cet équilibre
est rarement exact, en raison d'autres forces qui agissent sur le vent
comme la friction (près du sol) ou la force centrifuge dans un écoulement
courbé. (dans mon prochain post)





Ainsi, on peut énoncer la loi de Buys-Ballot : Dans l’hémisphère
nord, si on se met dos au vent, alors les hautes pressions sont à droite et
les basses pressions sont à gauche (c’est l’inverse dans l’hémisphère
sud.)





Rémy

c'est une super idée rémy. moi je ne connait pas grand chose et ce topic va me plaire. en tout cas le début est super interessant.

Très interessant ce topic !

Bonne lecture



La force de frottement :



Le vent géostrophique constitue une bonne estimation du vent réel et
diffère peu des observations. Néanmoins la rugosité du sol, où la force de
frottement est peu négligeable, joue un rôle important sur le déplacement
de l’air. En effet, en dessous de 600 mètres, les obstacles sont importants
(comme les chaines de montagne, villes). Tout cela exerce un frottement
sur la partie inférieure de la masse en mouvement. Cela à deux effets :
le ralentissement du vent et la réduction de l’influence de la force de
Coriolis. Ainsi la force de gradient de pression s’exerce et le vent est
dévié : il s’éloigne des hautes pressions vers les basses pressions.
Cette déviation s’effectue vers l’extérieur de l’anticyclone et vers
l’intérieur de la dépression. Les frottements sont moindres au dessus de la
mer ou l’angle de déviation est de 10°, il est accru à l’intérieur des terres,
où la déviation est de 30°. A partir de 1000 mètres, cet effet s’estompe
et les vents circulent parallèlement aux isobares. (Toute cause de
frottement réduisant la force du vent aura du même coup pour effet
de diminuer la déviation.)


La force centrifuge et le vent du gradient :


Une autre force gouverne la vitesse de l’écoulement d’air lorsque la
trajectoire des isobares est curviligne et non plus rectiligne.
Comme tout équilibre, l’équilibre géostrophique se rompt facilement, et la
force centrifuge y contribue. La force centrifuge est moins importante
que les forces de Coriolis et du gradient de presssion. Les effets sont
différents autour de l’anticyclone qu’autour d’une dépression.


Prenons le cas de l’anticyclone :

On imagine que les isobares sont concentriques circulant autour d’un
anticyclone. La force centrifuge pousse l’air à s’échapper de sa trajectoire
circulaire (par définition). Elle s’ajoute à la force de gradient, qui a son
tour, accroit la force de Coriolis pour maintenir l’équilibre. Ces deux forces
qui s’ajoutent ont pour effet d’accélérer l’écoulement d’air autour de
l’anticyclone, en effet, l’action de la pression est renforcée par la force
centrifuge.

L’inverse se produit autour d’un centre dépressionnaire.

La force centrifuge, qui entraine l’air vers l’extérieur, s’oppose à la force
du gradient de pression (qui est centripète, c'est-à-dire dirigée vers le
centre). Celle-ci diminue et à son tour, atténue la force de Coriolis. Alors
l’action de la pression est diminuée par la force centrifuge, ce qui a pour
conséquence de ralentir le processus de l’écoulement d’air autour de la
dépression.













Le vent qui prend en compte la force de gradient de pression, la force de
Coriolis et la force centrifuge est appelé vent du gradient.
Ainsi, grâce la déviation de Coriolis, le vent suit les la direction des
isobares. Toutefois, autour d’une dépression, le vent entre légèrement
comme pour former une spirale se fermant lentement sur la zone de la plus
basse pression ; autour d’une haute pression, le vent sort légèrement,
coupant vers l’extérieur. De plus, le vent est localement renforcé par la
force centrifuge dans les courbures des isobares, ce qui explique pourquoi
on n’observe pas d’isobares rapprochées (mal dessiné sur le schéma).
Près de l’équateur, la force centrifuge est faible voir inexistante puisque la
force de Coriolis tend à s’annuler.




Définitions (d’après Futura-Sciences)

Force centripète:

Force qui doit être exercée sur un corps pour l'obliger à avoir une
trajectoire curviligne. La force centripète a une valeur égale et opposée
à la force centrifuge. Elle est donc toujours perpendiculaire à la trajectoire et dirigée vers le centre de rotation.

Force centrifuge:

Force agissant sur un corps ayant une trajectoire curviligne et tendant à
le pousser radialement vers l'extérieur en direction opposée à celle de la
force centripète.


Source : Tiré essentiellement des livres « Météorologie, 100 expériences
pour comprendre les phénomènes météo » et « Comprendre la météo »



Rémy

Rappel sur la pression.

(article déjà posté sur l'ancien Forum... comme je vais faire
quelque chose de long, je vous mets celui ci en attente...)

La pression atmosphérique.


Généralités :

Elle est la grandeur principale dont dépend la météorologie. La pression atmosphérique
est très importante pour comprendre le fonctionnement des vents. Elle se définit comme
le poids exercé par une colonne d'air sur la surface donnée de la Terre. Elle augmente
ou diminue avec le poids de l’atmosphère, en altitude par exemple. Donc sa répartition
n’est pas homogène, ni uniforme. La différence de pression permet la montée ou la descente de l’air.

Caractéristique

tiré du site:

http://www.qc.ec.gc.ca/Meteo/Documentation/Pression_fr.html

"L'atmosphère exerce sur les corps qu'elle entoure une pression causée par le bombardement
des molécules d'air sur la surface exposée.
Cette pression dépend et de la masse volumique de l'air, et de la vitesse de déplacement
des molécules, elle-même fonction de la température.
Comme l'air a un poids, chacune de ses particules est comprimée par celles qui se trouvent au-dessus.
Plus on est près de la surface de la Terre, plus la masse volumique est élevée, plus la pression est forte.
De même lorsque l'air est refroidi sa masse volumique augmente, parce que la vitesse
de déplacement des molécules est moindre.
À pression égale, l'air froid est donc plus dense que l'air chaud.
De fait, la pression atmosphérique s'exerce dans toutes les directions.
Sur une surface, la résultante est perpendiculaire au plan exposé. [...]"


Unités, conversion :

La pression est une force d’unité N/m² (Newton par mètre carré) et s’exprime en pascal (Pa).
Cette grandeur n’est pas très pratique alors on l’adapte aux grandeurs mesurées et on exprime
le plus souvent la pression en hectopascal (hPa). Aussi, un millibar (mB) = un hectopascal.
La pression s’exprime aussi aux USA en millimètres de colonne de mercure qui vaut 1.333 hPa.

Variation verticale :

La pression varie dans l’espace et dans le temps, cela va de soit. La pression diminue
en altitude. Car la colonne d’air restant au dessus devient plus légère, elle se raréfie.
Elle perd 1hPa chaque 10 mètres au niveau de la mer puis elle décroit de moins en moins rapidement.

1015 hPa --> surface
850 hPa --> 1500 mètres
700 hPa --> 3000 mètres
500 hPa --> 5600 mètes
300 hPA --> 9200 mètres




La pression moyenne au niveau de la mer est de 1013hpa.

"Relation" entre température et pression :

Les molécules d’air sont en perpétuelle agitation désordonnée.
La pression est l’ensemble des chocs des molécules sur une paroi. La température
est en fait le degré d’agitation des molécules. A basse températures, les molécules bougent peu.
Au 0°C absolu (-273°C) les molécules d’air ne bougent carrément plus. A température
habituelle, elle bouge à 1600 km/h. Quand la température augmente, les chocs contre
les parois sont plus violents et fréquents. La pression est donc plus forte.

Variation horizontale

Nous avons vue que l’échauffement de la planète n’est pas reparti également
selon la latitude. Cela se traduit par des différences de pressions sur le plan horizontal,
et donc une mobilité de l’air. Il se forme des zones de basses pressions (dépression)
quand celle-ci est inférieure à la normale (1013 hPa) ou des zones de hautes pressions
(anticyclone) quand la pression est supérieure à la normale.

Pour uniformiser les mesures de pressions, il faut d’abord choisir une base commune :
le niveau de la mer. On introduit une correction qui prend en compte la diminution de
la pression en l’altitude et on ramène cette valeur au niveau de la mer. Ensuite,
on relie les points de même pression à un moment donné. Ce sont les isobares.
Ils sont tracés de 5hPa en 5 hPa




Sinon, pour décrire les variations de la pression en altitudes, on rejoint les lignes
des points d’égale altitude par rapport au niveau moyen de la mer pour une pression donnée.
(850hPa, 500 hPa etc). Ce sont les isohypses. Ils sont tracés tous les 4 décamètres.



Sur ces cartes, on remarque que les isobares forment des zones de hautes et
de basses pressions que l’on appelle champ de pression.

Les différents types de champ de pression :



1°) Anticyclone : C’est une zone de haute pression atmosphérique ou la pression est maximale au centre.
Il est synonyme de beau temps mais peut apporter de la grisaille en hiver.

2°) Dépressions : C’est une zone ou la pression est basse, est très minimale en son centre.
Elle est synonyme de mauvais temps.

3°) Col : C’est une région située entre deux dépressions. Cette zone est calme, le vent faible.

4°) Dorsale /Crête : C’est un axe de hautes pressions. Une sorte d’excroissance ou
de prolongement d’un anticyclone. Le temps est beau.

5°) Talweg /Creux : C’est un axe de basses pressions. Une sorte d’excroissance d’une dépression.
Lors du passage, le vent peut subir un changement important de direction.

6°) Marais Barométrique : C’est une zone neutre dans la quelle la pression varie d’un point à un autre.
Les lignes d’isobares sont très espacées. Le temps est très variable, parfois orageux.
C’est le cauchemar de tout météorologue.

2ème exemple:





Rémy

Très bon dossier,bien expliqué et bien détaillé !