25Masses d’air, fronts et cartes météorologiques

Le matin est clair et calme. Vers midi, de fines traînées blanches apparaissent très haut dans le ciel, puis s’étalent lentement en un voile pâle qui ternit le Soleil. L’après-midi, les nuages s’épaississent et descendent ; le soir, une pluie continue tombe. Pendant la nuit, l’air devient doux et humide, puis une ligne sombre de nuages apporte une courte averse violente et un coup de vent. Le lendemain matin est clair, frais et venté. En deux jours, une dépression est passée sur la ville, avec ses deux fronts.

Les prévisionnistes l’avaient vue venir plusieurs jours à l’avance. Ce chapitre montre comment : l’air de notre ciel arrive en grandes masses, les masses se rencontrent le long de fronts, et les cartes de la pression montrent où elles vont.

Tu sais déjà

L’air appuie sur tout ce qu’il touche ; un baromètre mesure cette pression en hectopascals (les livres de physique), et au niveau de la mer elle vaut environ $1013\,\mathrm{hPa}$ (Chapitre 23). Les nuages se forment quand de l’air humide monte et se refroidit (Chapitre 7). Au sol, le vent souffle des hautes pressions vers les basses pressions, et la rotation de la Terre le dévie : vers la droite dans l’hémisphère Nord. Entre environ $30{}^{\circ}$ et $60{}^{\circ}$, les vents d’ouest amènent une tempête après l’autre (Chapitre 24).

25.1 Les masses d’air

L’air qui reste plusieurs jours au-dessus du même endroit prend le caractère de la surface qui se trouve au-dessous. Au-dessus d’un océan chaud, il devient chaud et humide ; au-dessus d’une terre gelée, froid et sec. Quand il s’en va, il emporte ce caractère avec lui, parfois sur des milliers de kilomètres.

Définition 25.1 (Masse d’air)

Une masse d’air est un très grand volume d’air dans lequel la température et l’humidité sont presque les mêmes partout à une altitude donnée. Elle les tient de la région où elle s’est formée, sa région source.

Les prévisionnistes désignent une masse d’air par deux lettres. La première dit où elle s’est formée : c (continentale) au-dessus des terres, elle est donc sèche ; m (maritime) au-dessus d’un océan, elle est donc humide. La seconde dit à quel point elle est froide : A (arctique) au-dessus des régions polaires, P (polaire) au-dessus des hautes latitudes, T (tropicale) au-dessus des basses latitudes. L’air d’un désert chaud est cT, chaud et sec ; l’air de l’Arctique est cA, très froid et sec.

25.2 Les fronts

Quand une masse d’air se déplace, elle en rencontre une autre. Les deux ne se mélangent pas facilement : elles restent séparées, avec entre elles une étroite limite où le temps change.

Définition 25.2 (Front)

Un front est la limite, au sol, entre deux masses d’air de température et d’humidité différentes. À un front froid, l’air froid pousse l’air plus chaud et prend sa place ; à un front chaud, l’air chaud pousse l’air plus froid et prend sa place.

L’air froid est plus dense que l’air chaud. À un front froid, l’air froid se glisse sous l’air chaud comme un coin et le soulève brusquement. L’air chaud et humide monte vite et forme des nuages qui s’élèvent comme des tours, cumulus et cumulonimbus : le front apporte de fortes averses, parfois de la grêle et du tonnerre, des rafales de vent et une baisse soudaine de la température. Une fois qu’il est passé, la pluie cesse et le ciel se dégage. Un front froid avance vite, jusqu’à deux fois plus vite qu’un front chaud.

À un front chaud, l’air chaud, léger, ne peut pas chasser l’air froid du sol : il monte lentement par-dessus, sur une pente longue et douce. Ses nuages apparaissent donc loin en avant du front, haut dans le ciel : d’abord de fines traînées de cirrus, puis un voile de cirrostratus, puis des altostratus gris. À mesure que le front approche, les nuages descendent et s’épaississent, et une longue pluie continue commence. Après son passage, l’air est plus chaud et plus humide.

Sur une carte météorologique, un front froid est dessiné par une ligne bleue à triangles, un front chaud par une ligne rouge à demi-cercles. Les symboles sont placés du côté vers lequel le front avance. Quand un front froid rapide rattrape un front chaud, les deux se rejoignent en un front occlus, dessiné en violet avec les deux symboles.

25.3 Dépressions et anticyclones

Les fronts naissent dans les grands tourbillons d’air qui traversent les latitudes moyennes. Là où l’air monte, la pression au sol est plus basse que tout autour ; là où il descend, la pression est plus haute.

Définition 25.3 (Dépression et anticyclone)

Une dépression, ou basse pression, est une région où la pression au niveau de la mer est plus basse que tout autour. Un anticyclone, ou haute pression, est une région où elle est plus haute que tout autour.

Le vent souffle de l’anticyclone vers la dépression, mais la rotation de la Terre le dévie : il finit par souffler presque autour des centres. Dans l’hémisphère Nord, il tourne 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 Sud, c’est l’inverse. Dans une dépression, l’air converge près du sol, monte, se refroidit et forme des nuages : les dépressions apportent des nuages, de la pluie et du vent, et leurs fronts. Dans un anticyclone, l’air descend et se réchauffe en descendant : les anticyclones apportent un temps sec et stable, avec des vents faibles. Un anticyclone typique a une pression d’environ $1020\,\mathrm{hPa}$ ou plus en son centre ; une dépression creuse descend au-dessous de $980\,\mathrm{hPa}$.

25.4 Isobares et cartes météorologiques

Pour voir les dépressions et les anticyclones, les prévisionnistes dessinent des cartes de la pression. Chaque station mesure sa pression et la ramène au niveau de la mer, pour qu’une station en montagne puisse être comparée à une station sur la côte. Puis on trace des lignes passant par tous les lieux où la pression est la même.

Définition 25.4 (Isobare)

Une isobare est une ligne qui, sur une carte, joint les lieux où la pression au niveau de la mer est la même. Les isobares sont graduées en hectopascals et souvent tracées tous les $4\,\mathrm{hPa}$.

Autour d’une dépression, les isobares forment des boucles fermées, avec la pression la plus basse au centre, marqué D ; autour d’un anticyclone, elles forment des boucles avec la pression la plus haute au centre, marqué A. Là où les isobares sont serrées, la pression change vite d’un endroit à l’autre, et le vent est fort ; là où elles sont écartées, le vent est faible.

Méthode 25.5 (Lire une carte météorologique)

1. Trouve les centres : D pour les dépressions, A pour les anticyclones, avec leurs pressions.
2. Lis les isobares : leurs valeurs montent vers A et descendent vers D. Des isobares serrées signifient un vent fort.
3. Trouve la direction du vent : dans l’hémisphère Nord, il souffle presque le long des isobares, avec les basses pressions à sa gauche, en tournant un peu vers la dépression.
4. Trouve les fronts et leur sens de déplacement (le côté de leurs symboles), puis l’air de chaque côté : qu’est-ce qui arrive ensuite ?

Exemple 25.6 (Le temps dans la ville T)

Sur la carte, T se trouve au sud du front chaud et à l’est du front froid : dans l’air chaud, entre les deux fronts. Le front chaud est déjà passé sur elle. Les isobares y vont du sud-ouest au nord-est, avec la dépression au nord-ouest : le vent souffle du sud-ouest, chaud et humide. Le front froid arrive de l’ouest. Ses triangles pointent vers l’est, vers la ville : d’ici quelques heures, il y aura une courte période de fortes averses et de rafales, puis le vent tournera à l’ouest ou au nord-ouest, l’air se rafraîchira et le ciel se dégagera.

Un baromètre donne son propre avertissement, même sans carte. Suppose que toute la carte ci-dessus se déplace vers l’est, sans changer, à $40\,\mathrm{km}$ à l’heure, et qu’un baromètre enregistreur se trouve à une station S, à l’est des fronts. En deux jours et demi, il tracerait l’enregistrement ci-dessous.

Exemple 25.7 (Lire l’enregistrement d’un baromètre)

Pendant les 8 premières heures, la pression monte jusque vers $1031\,\mathrm{hPa}$ : l’anticyclone passe sur S, avec un temps stable. Puis elle baisse pendant 30 heures, d’environ $45\,\mathrm{hPa}$ : la dépression arrive. Elle baisse le plus vite quelques heures avant le passage du front chaud, plus lentement dans l’air chaud qui le suit, et atteint son minimum, environ $986\,\mathrm{hPa}$, juste au passage du front froid. Puis elle remonte : la dépression s’éloigne, et l’air plus frais et plus clair qui suit le front froid arrive.

25.5 Comment se fait une prévision

Définition 25.8 (Prévision météorologique)

Une prévision météorologique est l’annonce du temps attendu en un lieu pour les heures ou les jours à venir, établie à partir d’observations de l’atmosphère et des lois de la physique.

Une prévision se fait en trois étapes. D’abord, les services météorologiques du monde entier font chaque jour des millions d’observations : température, précipitations, pression, vent et humidité, mesurés dans des stations au sol, en mer, par des ballons-sondes, par des radars et depuis des satellites. Ensuite, ces observations sont fournies à des modèles informatiques : des ordinateurs très puissants calculent, pas à pas, comment l’atmosphère va évoluer à partir de son état présent. Enfin, les prévisionnistes lisent les résultats, les comparent à ce qu’ils savent de leur région, et rédigent la prévision.

Histoire des sciences — La première prévision publique

En 1854, un officier de marine, Robert FitzRoy, fut placé à la tête d’un nouveau bureau météorologique à Londres. Chaque matin à 9 h, des stations réparties le long des côtes mesuraient le temps et envoyaient leurs relevés à Londres par le télégraphe, l’invention la plus récente de l’époque. En 1859, une terrible tempête, la tempête du Royal Charter, coula de nombreux navires ; FitzRoy créa alors un service d’avis de tempête pour les marins, qui commença en février 1861. Le 1^er août 1861, il alla plus loin et publia la première prévision météorologique publique dans un journal, The Times. Ses prévisions portaient sur un ou deux jours et restaient très générales ; elles furent le début des prévisions que nous lisons aujourd’hui.

Les prévisions se sont beaucoup améliorées. Au cours des dernières décennies, les prévisionnistes ont gagné environ un jour de bonne prévision tous les dix ans : une prévision à quatre jours est aujourd’hui aussi bonne qu’une prévision à un jour il y a trente ans. Mais plus une prévision regarde loin, moins elle est sûre, parce que de petites erreurs dans les observations de départ grandissent à mesure que l’ordinateur avance dans le temps.

Sur le terrain — Regarder un front arriver

Un jour où la prévision annonce un front, regarde le ciel toutes les quelques heures et note l’heure, les nuages, le vent et la température. Avant un front chaud, de hautes traînées de cirrus arrivent-elles en premier ? Quand un front froid passe, la température baisse-t-elle, et le vent change-t-il ? Compare tes notes avec la carte météorologique du jour.

25.6 Exercices

Exercice 25.1 ★

Donne le sens de chaque paire de lettres et dis si la masse d’air est chaude ou froide, humide ou sèche : (a) mT ; (b) cP ; (c) cT ; (d) mP.

Solution

Solution de Exercice 25.1.

(a) Maritime tropicale : chaude et humide. (b) Continentale polaire : froide et sèche. (c) Continentale tropicale : très chaude et sèche. (d) Maritime polaire : froide et humide.

Exercice 25.2 ★

Associe chaque signe d’une carte météorologique à son sens : une ligne bleue à triangles ; une ligne rouge à demi-cercles ; une ligne qui joint des lieux de même pression ; la lettre A ; la lettre D.

Solution

Solution de Exercice 25.2.

Ligne bleue à triangles : un front froid. Ligne rouge à demi-cercles : un front chaud. Ligne qui joint des lieux de même pression : une isobare. A : le centre d’un anticyclone (hautes pressions). D : le centre d’une dépression (basses pressions).

Exercice 25.3 ★

Vrai ou faux ? Corrige les phrases fausses. (a) Les anticyclones apportent en général un temps stable. (b) Les nuages d’un front chaud arrivent après le front. (c) Des isobares serrées signifient un vent faible. (d) L’air froid est plus dense que l’air chaud.

Solution

Solution de Exercice 25.3.

(a) Vrai. (b) Faux : ils arrivent avant lui, loin en avant, haut dans le ciel. (c) Faux : des isobares serrées signifient un vent fort. (d) Vrai.

Exercice 25.4 ★

Sur la carte météorologique de ce chapitre : (a) quelle est la pression au centre de la dépression ? (b) Au centre de l’anticyclone ? (c) Combien d’hectopascals séparent deux isobares voisines ? (d) De combien d’hectopascals la pression diffère-t-elle entre les deux centres ?

Solution

Solution de Exercice 25.4.

(a) $980\,\mathrm{hPa}$. (b) $1034\,\mathrm{hPa}$. (c) $4\,\mathrm{hPa}$. (d) $1034 - 980 = 54\,\mathrm{hPa}$.

Exercice 25.5 ★★

Range ces événements dans l’ordre où ils se produisent quand un front chaud approche puis passe : une pluie continue ; de fines traînées de cirrus ; un voile gris d’altostratus ; un air plus chaud et plus humide ; les nuages qui descendent et s’épaississent.

Solution

Solution de Exercice 25.5.

De fines traînées de cirrus ; un voile gris d’altostratus ; les nuages qui descendent et s’épaississent ; une pluie continue ; un air plus chaud et plus humide.

Exercice 25.6 ★★

Explique pourquoi les nuages d’un front froid s’élèvent comme des tours, alors que ceux d’un front chaud s’étalent en couches. Utilise les mots coin, brusquement, pente douce.

Solution

Solution de Exercice 25.6.

À un front froid, l’air froid et dense se glisse sous l’air chaud comme un coin : l’air chaud est soulevé brusquement, sur une pente raide, monte vite et forme de hauts nuages. À un front chaud, l’air chaud monte lentement par-dessus l’air froid, sur une pente douce : il s’élève peu à peu sur une longue distance, et ses nuages s’étalent en couches.

Exercice 25.7 ★★

Sur la carte météorologique : (a) où le vent est-il le plus fort, près de D ou près de A ? Comment le sais-tu ? (b) Au nord de D, de quelle direction souffle le vent ? (c) Au sud de A ? (d) Le vent tourne-t-il autour de D dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse ?

Solution

Solution de Exercice 25.7.

(a) Près de D : les isobares y sont plus serrées, et les flèches plus longues. (b) De l’est (les flèches pointent vers l’ouest, un peu vers le sud-ouest). (c) De l’est (les flèches pointent vers l’ouest). (d) Dans le sens inverse des aiguilles d’une montre.

Exercice 25.8 ★★

Un baromètre, dans une ville, indique $1016\,\mathrm{hPa}$ à 6 h, $1009\,\mathrm{hPa}$ à 12 h et $1003\,\mathrm{hPa}$ à 18 h. (a) De combien la pression baisse-t-elle en 12 heures ? (b) Qu’est-ce qui arrive vers la ville, une dépression ou un anticyclone ? (c) Quel temps la ville peut-elle attendre ?

Solution

Solution de Exercice 25.8.

(a) $1016 - 1003 = 13\,\mathrm{hPa}$. (b) Une dépression : la pression ne cesse de baisser. (c) Des nuages, du vent et de la pluie, probablement avec un front.

Exercice 25.9 ★★

De l’air qui est resté une semaine au-dessus du Sahara se déplace vers le nord au-dessus de la mer Méditerranée. (a) Désigne cette masse d’air par ses deux lettres. (b) Est-elle chaude ou froide, humide ou sèche, au départ ? (c) Qu’est-ce qui pourrait changer dans son caractère pendant qu’elle traverse la mer ?

Solution

Solution de Exercice 25.9.

(a) cT, continentale tropicale. (b) Très chaude et sèche. (c) Au-dessus de la mer, elle se charge de vapeur d’eau : elle devient plus humide, et l’air proche de l’eau est un peu refroidi par la mer.

Exercice 25.10 ★★

Une prévision à quatre jours est aujourd’hui aussi bonne qu’une prévision à un jour il y a trente ans. (a) Combien de jours de bonne prévision ont été gagnés en trente ans ? (b) Combien cela fait-il pour dix ans ? (c) Si le même progrès continuait, dans combien d’années une prévision à cinq jours serait-elle aussi bonne que la prévision à un jour d’aujourd’hui ?

Solution

Solution de Exercice 25.10.

(a) $4 - 1 = 3$ jours. (b) $3 \div 3 = 1$ jour tous les dix ans. (c) Il faut encore $5 - 1 = 4$ jours : environ 40 ans.

Exercice 25.11 ★★★

Sur la carte météorologique, utilise l’échelle graphique. (a) Environ combien de kilomètres séparent le centre D du centre A ? (b) Près de D, deux isobares voisines sont à environ $80\,\mathrm{km}$ l’une de l’autre. De combien d’hectopascals la pression change-t-elle sur $100\,\mathrm{km}$ à cet endroit ? (c) Près de A, deux isobares voisines sont à environ $140\,\mathrm{km}$ l’une de l’autre. Même question. (d) Où le vent est-il le plus fort ? Les flèches de la carte sont-elles d’accord ?

Solution

Solution de Exercice 25.11.

(a) Environ $1350\,\mathrm{km}$ (quatre fois et demie l’échelle graphique). (b) $4\,\mathrm{hPa}$ sur $80\,\mathrm{km}$ : $4 \div 80 \times 100 = 5\,\mathrm{hPa}$ pour $100\,\mathrm{km}$. (c) $4 \div 140 \times 100 \approx 2.9\,\mathrm{hPa}$ pour $100\,\mathrm{km}$. (d) Près de D, où la pression change plus vite ; oui, les flèches sont plus longues près de D.

Exercice 25.12 ★★★

Un front froid se trouve à $300\,\mathrm{km}$ à l’ouest d’une ville et avance vers l’est à $50\,\mathrm{km}$ par heure ; un front chaud se trouve à $200\,\mathrm{km}$ à l’ouest d’une autre ville et avance deux fois moins vite. (a) Quel front atteint sa ville le premier, et combien d’heures plus tôt ? (b) Décris le temps que verra chaque ville au passage de son front. (c) Quelle ville sera la plus chaude une fois son front passé ?

Solution

Solution de Exercice 25.12.

(a) Le front froid : $300 \div 50 = 6$ heures. Le front chaud avance à $25\,\mathrm{km}$ par heure : $200 \div 25 = 8$ heures. Le front froid arrive 2 heures plus tôt. (b) Première ville : des nuages en tours, de fortes averses, des rafales, puis un air plus frais et un ciel qui se dégage. Seconde ville : des nuages en couches qui descendent et une longue pluie continue, puis un air plus chaud et plus humide. (c) La seconde ville, atteinte par l’air chaud.

25.7 Problème : Le match sera-t-il annulé à cause de la pluie ?

Problème 25.1

Problème du week-end — un match de football est prévu à 15 h dans la ville T de la carte météorologique ; le front froid arrive : sa vitesse est mesurée sur deux cartes et l’on prévoit l’heure à laquelle il atteint la ville

À 9 h, une jeune prévisionniste regarde la carte météorologique de ce chapitre, puis la carte ci-dessous : elle montre le front froid près de la ville à 6 h et à 9 h, sur un quadrillage de carreaux de $20\,\mathrm{km}$.

Partie I — Lire la carte.

1. Sur la carte météorologique du chapitre, la ville est-elle dans l’air chaud ou dans l’air froid ? Quel front est déjà passé sur elle ?
2. De quelle direction souffle le vent dans la ville ?
3. Dans quel sens avance le front froid ? Comment le vois-tu à ses symboles ?
4. Quel temps le front froid apportera-t-il à son passage ?

Partie II — La vitesse du front.

5. Sur la carte ci-dessus, à la hauteur de la ville, à quelle distance vers l’est se trouve le front à 6 h ? À 9 h ?
6. De combien de kilomètres le front s’est-il déplacé en ces trois heures ?
7. Quelle est sa vitesse, en kilomètres par heure ?
8. À 9 h, combien de kilomètres séparent le front de la ville ?

Partie III — La prévision.

9. Si le front garde la même vitesse, combien d’heures lui faudra-t-il pour atteindre la ville ?
10. À quelle heure atteindra-t-il la ville ?
11. Suppose que les fortes averses durent environ une heure après le passage du front. Pleuvra-t-il encore à 15 h ?
12. Le front pourrait ralentir à $30\,\mathrm{km}$ par heure. Quand atteindrait-il alors la ville ? Écris la prévision pour le match en une ou deux phrases, en donnant les deux heures possibles.

Solution

Solution de Problème 25.1.

1. Dans l’air chaud, entre les deux fronts. Le front chaud est déjà passé.

2. Du sud-ouest.

3. Vers l’est : les triangles d’un front froid sont placés du côté vers lequel il avance, et ils pointent vers l’est, vers la ville.

4. Des nuages en tours, de fortes averses, peut-être du tonnerre et de la grêle, des rafales de vent ; puis un air plus frais, un vent d’ouest ou de nord-ouest et un ciel qui se dégage.

5. À $180\,\mathrm{km}$ à 6 h et à $300\,\mathrm{km}$ à 9 h.

6. $300 - 180 = 120\,\mathrm{km}$.

7. $120 \div 3 = 40\,\mathrm{km}$ par heure.

8. La ville est à $480\,\mathrm{km}$ : $480 - 300 = 180\,\mathrm{km}$.

9. $180 \div 40 = 4.5$ heures, soit 4 heures et 30 minutes.

10. 9 h + 4 h 30 min = 13 h 30.

11. Non : les averses devraient se terminer vers 14 h 30, avant le coup d’envoi.

12. $180 \div 30 = 6$ heures : à 15 h, juste au coup d’envoi. Prévision : « Le front froid devrait atteindre la ville vers 13 h 30, avec une heure de fortes averses et de rafales, puis des éclaircies : le match pourra très probablement se jouer. Si le front ralentit, il pourrait arriver à 15 h et retarder le match. »