24Les vents et la circulation générale

Pendant des siècles, les voiliers qui quittaient les ports d’Europe et d’Afrique pour les Amériques ont compté sur un vent d’est régulier, qui souffle des deux côtés de l’équateur et les portait à travers l’Atlantique. Les marins du monde entier le connaissaient, et les premiers échanges avec les Amériques en dépendaient : c’est l’alizé. Aujourd’hui encore, les cargos se servent des alizés, et des courants marins qu’ils entraînent, pour raccourcir leurs traversées.

Pourquoi l’alizé souffle-t-il de l’est, et toujours aux mêmes endroits ? Pourquoi y a-t-il des déserts près des tropiques et des forêts tropicales humides près de l’équateur ? La réponse commence avec le Soleil.

Tu sais déjà

Le vent est de l’air en mouvement (les livres de physique). L’air appuie sur tout ce qu’il touche, et la pression baisse avec l’altitude (Chapitre 23). La météo se produit dans la troposphère, la couche la plus basse de l’atmosphère. La Terre a des zones climatiques : chaudes et humides près de l’équateur, avec des forêts tropicales humides ; des déserts chauds et secs près des tropiques ; des zones tempérées, puis froides, vers les pôles (Chapitre 11).

24.1 Le Soleil chauffe la Terre de façon inégale

À midi, le jour d’un équinoxe, le Soleil est juste au-dessus de nos têtes à l’équateur. Ses rayons y arrivent à la verticale et tombent sur une petite surface de sol. Plus au nord ou plus au sud, les mêmes rayons arrivent en biais et s’étalent sur une surface plus grande : chaque mètre carré reçoit moins de leur énergie. À la latitude $60{}^{\circ}$, le même faisceau couvre deux fois plus de sol qu’à l’équateur : chaque mètre carré en reçoit donc deux fois moins.

Pendant que la Terre tourne autour du Soleil, son axe incliné fait passer le Soleil de midi au zénith entre les deux tropiques, ce qui donne les saisons (les livres de physique) ; mais toute l’année, les régions proches de l’équateur reçoivent beaucoup plus d’énergie que celles qui sont proches des pôles. Ce chauffage inégal est le principal moteur des vents : l’atmosphère transporte de l’air chaud vers les pôles et de l’air froid vers l’équateur.

24.2 L’air qui monte et l’air qui descend

L’air chaud est plus léger que l’air froid : il monte, et l’air plus frais qui l’entoure afflue pour prendre sa place. Là où l’air monte, il appuie moins sur le sol : la pression y est basse. Là où l’air descend, il appuie davantage : la pression est haute. Au sol, le vent souffle des hautes pressions vers les basses pressions. En montant, en se refroidissant, en descendant et en revenant, l’air tourne en boucle.

Définition 24.1 (Cellule de convection)

Une cellule de convection dans l’atmosphère est une boucle d’air en mouvement : l’air chauffé par le bas monte, s’étale en altitude, se refroidit et redescend ailleurs, puis revient le long du sol jusqu’à l’endroit d’où il est monté. Sous l’air qui monte, la pression est basse ; sous l’air qui descend, elle est haute.

Au laboratoire — L’air chaud monte

À l’intérieur, découpe une spirale dans une feuille de papier fin, comme l’épluchure d’une pomme, et suspends-la par son centre à un fil. Tiens-la bien au-dessus d’un radiateur chaud, en hiver (jamais au-dessus d’une flamme ou d’une bougie) : elle se met lentement à tourner. L’air chauffé par le radiateur monte et pousse sur la spirale. Tiens-la près d’une fenêtre froide : tourne-t-elle dans l’autre sens, ou plus du tout ?

Les plus petites cellules de convection se sentent un jour de soleil au bord de la mer. La terre et la mer reçoivent le même soleil, mais les rayons du Soleil ne pénètrent pas profondément dans le sol, tandis que la mer répartit sa chaleur dans une épaisse couche d’eau. La terre se réchauffe donc beaucoup plus le jour, et se refroidit beaucoup plus la nuit.

Définition 24.2 (Brise de mer et brise de terre)

Une brise de mer est un vent qui souffle de la mer vers la terre le jour, quand la terre est plus chaude que la mer. Une brise de terre souffle de la terre vers la mer la nuit, quand la terre est devenue plus froide que la mer.

24.3 Les vents de la planète

La même chose se produit à l’échelle de la Terre entière. Près de l’équateur, l’air fortement chauffé monte ; il s’étale vers les pôles en altitude et redescend vers $30{}^{\circ}$ de latitude. En moyenne sur de nombreuses années, la troposphère de chaque hémisphère tourne en trois grandes cellules de convection : une de l’équateur jusque vers $30{}^{\circ}$, une d’environ $30{}^{\circ}$ à environ $60{}^{\circ}$, et une d’environ $60{}^{\circ}$ jusqu’au pôle. Les météorologues les appellent les cellules de Hadley, de Ferrel et polaires. Leurs limites se déplacent avec les saisons, et la cellule du milieu est une moyenne grossière de nombreuses tempêtes qui passent.

Les vents qui soufflent au sol iraient tout droit des hautes vers les basses pressions si la Terre ne tournait pas. Comme la Terre tourne, l’air en mouvement est dévié : vers la droite dans l’hémisphère Nord, vers la gauche dans l’hémisphère Sud. L’air qui revient vers l’équateur ne vient donc pas du nord, mais du nord-est dans l’hémisphère Nord, et du sud-est dans l’hémisphère Sud.

Définition 24.3 (Les vents de la planète)

Les vents de surface qui soufflent le plus souvent dans chaque bande de latitude sont :

• les alizés, entre l’équateur et environ $30{}^{\circ}$, qui soufflent du nord-est dans l’hémisphère Nord et du sud-est dans l’hémisphère Sud ;
• les vents d’ouest, entre environ $30{}^{\circ}$ et $60{}^{\circ}$, qui soufflent de l’ouest (du sud-ouest dans l’hémisphère Nord, du nord-ouest dans l’hémisphère Sud) ;
• les vents d’est polaires, entre environ $60{}^{\circ}$ et les pôles, qui soufflent de l’est.

Méthode 24.4 (Trouver le vent de la planète à une latitude)

1. Trouve la bande : de l’équateur jusque vers $30{}^{\circ}$, de $30{}^{\circ}$ à $60{}^{\circ}$, ou de $60{}^{\circ}$ jusqu’au pôle.
2. Trouve dans quel sens l’air se déplace au sol dans cette bande : vers l’équateur dans la première et la dernière bande, vers le pôle dans celle du milieu.
3. Dévie ce mouvement : vers la droite dans l’hémisphère Nord, vers la gauche dans l’hémisphère Sud.
4. Dis d’où vient le vent : les vents portent le nom de la direction d’où ils soufflent.

Exemple 24.5 (Le vent à $40{}^{\circ}$ sud)

À $40{}^{\circ}$ S, nous sommes dans la bande du milieu, entre $30{}^{\circ}$ et $60{}^{\circ}$. L’air y va, au sol, vers le pôle, c’est-à-dire vers le sud. Dans l’hémisphère Sud, il est dévié vers la gauche : pour de l’air qui va vers le sud, la gauche est l’est ; l’air finit donc par se déplacer vers le sud-est. Il vient donc du nord-ouest : c’est l’un des vents d’ouest, qui souffle du nord-ouest.

Près de l’équateur, là où les alizés des deux hémisphères se rencontrent, les vents faiblissent : les marins appelaient cette bande de calme le pot-au-noir. L’air chaud et humide y monte, se refroidit et donne des averses et des orages persistants. Vers $30{}^{\circ}$, sous l’air qui descend, les vents sont faibles et la pluie est rare.

Définition 24.6 (Circulation générale de l’atmosphère)

La circulation générale de l’atmosphère est le mouvement de l’air à grande échelle autour de la planète, tel qu’il apparaît quand on fait la moyenne des vents sur de nombreuses années. Elle transporte de la chaleur de l’équateur vers les pôles, et de la vapeur d’eau d’une bande de latitude à une autre.

24.4 La circulation générale et les zones climatiques

La circulation générale explique une grande partie de la carte des climats. Là où l’air monte, près de l’équateur, il se refroidit et sa vapeur d’eau se change en nuages : la pluie est fréquente, et des forêts tropicales humides poussent. Là où l’air descend, vers $30{}^{\circ}$ nord et sud, il se réchauffe en descendant, ses nuages se dissipent, et la pluie est rare : les grands déserts chauds, comme le Sahara, se trouvent dans ces bandes. Aux latitudes moyennes, les vents d’ouest amènent une tempête après l’autre, avec de la pluie en toute saison.

Exemple 24.7 (Quatre villes, quatre bandes)

Les quatre villes des diagrammes climatiques du Chapitre 11 se trouvent toutes dans l’hémisphère Nord, à des latitudes très différentes. Leurs précipitations annuelles suivent les bandes de la circulation générale (graphique ci-dessous). Hilo, à $20{}^{\circ}$ N, est sur une île de la bande des alizés, au milieu de l’océan, où les alizés se chargent de vapeur d’eau : il y tombe environ $3000\,\mathrm{mm}$ par an. Phoenix, à $33{}^{\circ}$ N, est proche de $30{}^{\circ}$, sous l’air qui descend : moins de $200\,\mathrm{mm}$. Seattle, à $47{}^{\circ}$ N, est dans les vents d’ouest, dont les tempêtes apportent environ $1000\,\mathrm{mm}$ par an, surtout de l’automne au printemps. Utqiaġvik, à $71{}^{\circ}$ N, se trouve sous l’air froid qui descend près du pôle : moins de $150\,\mathrm{mm}$, un désert froid.

Quatre villes ne sont que quatre points : les montagnes, les côtes et les mers froides ou chaudes changent aussi la quantité de pluie que reçoit un lieu. Les bandes donnent le dessin d’ensemble de la carte des climats, pas la pluie de chaque ville.

24.5 Exercices

Exercice 24.1 ★

Nomme le vent de la planète qui souffle le plus souvent : (a) à $15{}^{\circ}$ nord ; (b) à $45{}^{\circ}$ sud ; (c) à $75{}^{\circ}$ nord ; (d) à $20{}^{\circ}$ sud. Donne chaque fois sa direction.

Solution

Solution de Exercice 24.1.

(a) L’alizé du nord-est, qui souffle du nord-est. (b) Les vents d’ouest, qui soufflent du nord-ouest. (c) Les vents d’est polaires, qui soufflent de l’est (du nord-est). (d) L’alizé du sud-est, qui souffle du sud-est.

Exercice 24.2 ★

Complète chaque phrase. (a) L’air chaud … et l’air froid …. (b) Sous l’air qui monte, la pression au sol est …. (c) Au sol, le vent souffle des … pressions vers les … pressions. (d) Dans l’hémisphère Nord, la rotation de la Terre dévie l’air en mouvement vers la ….

Solution

Solution de Exercice 24.2.

(a) L’air chaud monte et l’air froid descend. (b) Basse. (c) Des hautes pressions vers les basses pressions. (d) Vers la droite.

Exercice 24.3 ★

Vrai ou faux ? Corrige les phrases fausses. (a) Une brise de mer souffle de la terre vers la mer. (b) Le jour, la terre se réchauffe plus vite que la mer. (c) Les alizés soufflent de l’ouest. (d) Beaucoup de grands déserts se trouvent vers $30{}^{\circ}$ de latitude.

Solution

Solution de Exercice 24.3.

(a) Faux : une brise de mer souffle de la mer vers la terre (le jour). (b) Vrai. (c) Faux : ils soufflent de l’est (du nord-est ou du sud-est). (d) Vrai.

Exercice 24.4 ★

Dessine une côte avec la mer à gauche et la terre à droite. Ajoute le Soleil, puis dessine avec des flèches la boucle d’air de la brise de mer. Marque A et D là où la pression au sol est haute et basse.

Solution

Solution de Exercice 24.4.

Le dessin montre une boucle : le long du sol, une flèche de la mer vers la terre ; au-dessus de la terre, une flèche qui monte ; en altitude, une flèche qui revient de la terre au-dessus de la mer ; au-dessus de la mer, une flèche qui descend. A est marqué au sol sous l’air qui descend (au-dessus de la mer), D sous l’air qui monte (au-dessus de la terre).

Exercice 24.5 ★★

Utilise le tableau des faisceaux de ce chapitre. (a) À $45{}^{\circ}$, combien de sol un faisceau couvre-t-il de plus qu’à l’équateur ? (b) Quel pourcentage de l’énergie de l’équateur chaque mètre carré reçoit-il à $60{}^{\circ}$ ? (c) À $75{}^{\circ}$ ? (d) Explique en une phrase pourquoi il fait froid aux pôles.

Solution

Solution de Exercice 24.5.

(a) 1.41 fois plus de sol. (b) 50 %. (c) 26 %. (d) Près des pôles, la lumière du Soleil arrive en biais et s’étale sur une grande surface : chaque mètre carré reçoit donc peu d’énergie.

Exercice 24.6 ★★

Un bateau navigue plein sud à travers l’hémisphère Nord, puis l’hémisphère Sud. (a) Quels vents rencontre-t-il, dans l’ordre, de $70{}^{\circ}$ N à $70{}^{\circ}$ S ? (b) Où risque-t-il de trouver un air calme et des averses fréquentes ? (c) Où les vents sont-ils faibles et la pluie rare ?

Solution

Solution de Exercice 24.6.

(a) Les vents d’est polaires (de $70{}^{\circ}$ à $60{}^{\circ}$ N), les vents d’ouest (de $60{}^{\circ}$ à $30{}^{\circ}$ N), les alizés du nord-est (de $30{}^{\circ}$ N à l’équateur), les alizés du sud-est (de l’équateur à $30{}^{\circ}$ S), les vents d’ouest (de $30{}^{\circ}$ à $60{}^{\circ}$ S), les vents d’est polaires (de $60{}^{\circ}$ à $70{}^{\circ}$ S). (b) Près de l’équateur, dans le pot-au-noir. (c) Vers $30{}^{\circ}$ N et $30{}^{\circ}$ S, sous l’air qui descend.

Exercice 24.7 ★★

Sur une plage, il fait $31{}^{\circ}\mathrm{C}$ sur le sable à 15 h et $22{}^{\circ}\mathrm{C}$ au-dessus de la mer. À 3 h du matin, il fait $17{}^{\circ}\mathrm{C}$ sur la terre et $21{}^{\circ}\mathrm{C}$ au-dessus de la mer. (a) Qu’est-ce qui est le plus chaud à 15 h ? Dans quel sens souffle le vent ? (b) Et à 3 h du matin ? (c) De combien de degrés la température de la terre change-t-elle entre ces deux moments ? Et celle de la mer ? (d) Explique la différence.

Solution

Solution de Exercice 24.7.

(a) La terre ($31 > 22$) : le vent souffle de la mer vers la terre, c’est une brise de mer. (b) La mer ($21 > 17$) : le vent souffle de la terre vers la mer, c’est une brise de terre. (c) La terre : $31 - 17 = 14$ degrés ; la mer : $22 - 21 = 1$ degré. (d) Les rayons du Soleil ne chauffent qu’une mince couche de sol, qui se réchauffe et se refroidit vite ; la mer répartit sa chaleur dans une épaisse couche d’eau, si bien que sa température change à peine entre le jour et la nuit.

Exercice 24.8 ★★

L’air s’écoule de la bande de hautes pressions située vers $30{}^{\circ}$ N vers l’équateur. (a) Sans la rotation de la Terre, de quelle direction soufflerait-il ? (b) De quel côté la rotation le dévie-t-elle dans cet hémisphère ? (c) De quelle direction souffle-t-il alors ? (d) Réponds aux trois mêmes questions pour l’air qui s’écoule vers l’équateur depuis $30{}^{\circ}$ S.

Solution

Solution de Exercice 24.8.

(a) Du nord. (b) Vers la droite. (c) Du nord-est (c’est l’alizé du nord-est). (d) Sans la rotation, il soufflerait du sud ; la rotation le dévie vers la gauche ; il souffle du sud-est.

Exercice 24.9 ★★

Explique, étape par étape, pourquoi il pleut si souvent près de l’équateur : utilise les mots chauffé, monte, se refroidit, nuages. Explique ensuite pourquoi il y a un désert vers $25{}^{\circ}$ N en Afrique du Nord : utilise les mots descend, hautes pressions, sec.

Solution

Solution de Exercice 24.9.

Près de l’équateur, le sol et la mer sont fortement chauffés par le Soleil ; l’air chaud et humide monte ; en montant, il se refroidit, et sa vapeur d’eau se change en nuages, qui donnent des averses et des orages. Vers $25{}^{\circ}$ N, l’air qui est monté à l’équateur descend ; sous lui, la pression au sol est haute ; l’air qui descend se réchauffe, ses nuages se dissipent et la région reste sèche : un désert.

Exercice 24.10 ★★

Un voilier quitte un port situé à $40{}^{\circ}$ N, sur la côte ouest de l’Europe, pour les Caraïbes, à $15{}^{\circ}$ N. (a) Quel vent rencontrerait-il à $40{}^{\circ}$ N ? L’aiderait-il à naviguer vers l’ouest ? (b) Pourquoi le navire devrait-il d’abord descendre vers le sud ? (c) Quel vent le pousse vers l’ouest, et entre quelles latitudes ? (d) Pour le voyage de retour vers l’Europe, quel vent le navire devrait-il chercher, et à quelle latitude ?

Solution

Solution de Exercice 24.10.

(a) Les vents d’ouest. Non : ils soufflent de l’ouest, contre un navire qui va vers l’ouest. (b) Pour atteindre la bande des alizés, au sud d’environ $30{}^{\circ}$ N. (c) L’alizé du nord-est, entre l’équateur et environ $30{}^{\circ}$ N. (d) Les vents d’ouest, au nord d’environ $30{}^{\circ}$ N (vers $40{}^{\circ}$ N, la latitude du port d’attache).

Exercice 24.11 ★★★

À la latitude $L$, un faisceau de lumière du Soleil, à midi un jour d’équinoxe, couvre $1 \div \cos L$ fois le sol qu’il couvre à l’équateur (à la calculatrice, $\cos 60^\circ = 0.5$). (a) Vérifie la valeur pour $60{}^{\circ}$. (b) Avec $\cos 30^\circ \approx 0.866$, vérifie la valeur pour $30{}^{\circ}$, arrondie au centième. (c) Suppose qu’un panneau solaire posé à plat reçoive $1000\,\mathrm{W}$ sur chaque mètre carré à midi, à l’équateur, ce jour-là. Environ combien le même panneau recevrait-il à $30{}^{\circ}$ ? À $60{}^{\circ}$ ?

Solution

Solution de Exercice 24.11.

(a) $1 \div 0.5 = 2$ : le tableau donne 2. (b) $1 \div 0.866 \approx 1.1547$, soit 1.15. (c) À $30{}^{\circ}$ : $1000 \div 1.15 \approx 870\,\mathrm{W}$ sur chaque mètre carré (exactement $1000 \times 0.866 = 866\,\mathrm{W}$). À $60{}^{\circ}$ : $1000 \div 2 = 500\,\mathrm{W}$.

Exercice 24.12 ★★★

Dans chaque hémisphère, la circulation générale compte trois cellules. (a) Dessine une vue de côté de l’hémisphère Nord, avec l’équateur en bas et le pôle en haut, et les trois cellules sous forme de boucles ; montre où l’air monte et où il descend. (b) Marque les bandes de hautes et de basses pressions au sol. (c) Ajoute les vents de surface de chaque cellule, déviés vers la droite. (d) Sers-toi de ton dessin pour expliquer pourquoi les vents d’ouest soufflent vers le nord-est.

Solution

Solution de Exercice 24.12.

(a) Trois boucles : l’air monte à l’équateur et descend vers $30{}^{\circ}$ ; il monte vers $60{}^{\circ}$ et descend vers $30{}^{\circ}$ ; il monte vers $60{}^{\circ}$ et descend au pôle. (b) D à l’équateur et vers $60{}^{\circ}$ ; A vers $30{}^{\circ}$ et au pôle. (c) De $30{}^{\circ}$ à l’équateur, l’air de surface va vers le sud et il est dévié vers la droite : c’est l’alizé du nord-est. De $30{}^{\circ}$ à $60{}^{\circ}$, il va vers le nord et il est dévié vers la droite : il vient du sud-ouest. Du pôle à $60{}^{\circ}$, il va vers le sud, dévié vers la droite : c’est le vent d’est polaire. (d) Dans la cellule du milieu, l’air de surface s’écoule vers le pôle, c’est-à-dire vers le nord ; dévié vers la droite, il se dirige vers le nord-est : ce sont les vents d’ouest.

24.6 Problème : Naviguer avec les alizés

Problème 24.1

Problème du week-end — un voilier traverse l’Atlantique du Cap-Vert à la Barbade avec l’alizé du nord-est ; la route est mesurée sur la carte, le vent est lu, et l’on calcule la durée de la traversée

Un voilier quitte Praia, dans les îles du Cap-Vert, pour Bridgetown, à la Barbade. La carte montre la route et l’alizé.

Partie I — La route.

1. Praia se trouve à $14.9{}^{\circ}$ N, $23.5{}^{\circ}$ O ; Bridgetown à $13.1{}^{\circ}$ N, $59.6{}^{\circ}$ O. Combien de degrés de longitude les séparent ?
2. Les deux ports se trouvent près de $14{}^{\circ}$ N. Le long de ce parallèle, un degré de longitude mesure environ $108\,\mathrm{km}$. Environ combien de kilomètres mesure la traversée ? Arrondis à la centaine.
3. Mesurée exactement sur la Terre ronde, la route la plus courte mesure $3896\,\mathrm{km}$. La réponse à la question 2 est-elle une bonne estimation ?
4. Les ports se trouvent-ils dans la bande des alizés ? Explique.

Partie II — Le vent.

5. De quelle direction souffle l’alizé ici ?
6. Le voilier navigue vers l’ouest. Le vent le pousse-t-il vers l’avant, vers l’arrière ou sur le côté ? Explique avec la carte.
7. Pourquoi l’alizé souffle-t-il dans la même direction presque chaque jour de la traversée ?
8. Pour le retour vers l’Europe, pourquoi le capitaine ne doit-il pas essayer de naviguer vers l’est le long de $14{}^{\circ}$ N ?

Partie III — La traversée.

9. Suppose que le voilier avance en moyenne à $7\,\mathrm{km}$ par heure. Combien de kilomètres parcourt-il en une journée de 24 heures ?
10. Si le vent tombait pendant 3 jours en route, combien de kilomètres de progression le voilier perdrait-il ?
11. Avec un alizé régulier, combien de jours faut-il au voilier pour $3896\,\mathrm{km}$ ? Arrondis au dixième.
12. Au jour près, combien de temps dure la traversée ? Est-ce plus ou moins d’un mois ?

Solution

Solution de Problème 24.1.

1. $59.6 - 23.5 = 36.1$ degrés de longitude.

2. $36.1 \times 108 \approx 3899$ : environ $3900\,\mathrm{km}$.

3. Oui : $3900 - 3896 = 4$ km, une toute petite différence.

4. Oui : tous deux se trouvent vers $14{}^{\circ}$ N, entre l’équateur et environ $30{}^{\circ}$ N, la bande de l’alizé du nord-est.

5. Du nord-est (les flèches sont tournées vers le sud-ouest).

6. Vers l’avant, et un peu sur le côté : le vent vient de l’arrière du navire, légèrement de sa droite, et le pousse vers l’ouest.

7. Il fait partie de la circulation générale : l’air ne cesse de descendre vers $30{}^{\circ}$ N et de monter près de l’équateur ; l’air de surface s’écoule donc sans cesse vers l’équateur, et la rotation de la Terre le dévie toujours vers la droite.

8. L’alizé soufflerait contre le navire. Le capitaine doit remonter vers le nord, au-delà d’environ $30{}^{\circ}$ N, pour trouver les vents d’ouest.

9. $7 \times 24 = 168\,\mathrm{km}$ par jour.

10. $3 \times 168 = 504\,\mathrm{km}$.

11. $3896 \div 168 \approx 23.2$ jours.

12. Environ 23 jours : moins d’un mois.