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Inès : « Comment se forme le vent dans le ciel ? »
jeudi 21 avril 2022, par
Jacques Treiner, Université Paris Cité
Le vent, c’est le mouvement d’une masse d’air atmosphérique. Quand on pense vent, on pense déplacement horizontal de l’air : quand il nous souffle dans le nez, on peut avoir du mal à avancer, quand on l’a dans le dos, à vélo, quel bonheur ! Mon premier souvenir de classe d’une explication du vent combinait mouvement vertical et mouvement horizontal, et associait le vent à une différence de température.
Le raisonnement était le suivant. En été, au bord de la mer, le jour, le vent souffle de la mer vers la terre, et la nuit, il souffle de la terre vers la mer. Pourquoi ? Parce que le jour, la température de la terre est plus élevée que celle de l’eau, le sable peut être brûlant, jamais l’eau, n’est-ce pas ?
L’air au contact de la terre se réchauffe, se dilate (une même quantité d’air va occuper plus de place), il devient moins dense, et monte, ce qui produit un appel pour l’air au contact avec la mer, d’où un vent dirigé de la mer vers la terre. La nuit, la terre se refroidit et sa température devient inférieure à celle de la mer. C’est donc l’air au-dessus de la mer qui monte, créant un appel pour l’air au-dessus de la terre.
Maintenant, essayons de regarder la Terre entière. La zone équatoriale, celle comprise entre les tropiques, reçoit en moyenne plus d’énergie solaire que les zones plus au nord. Le rayonnement solaire étant plus important dans cette zone de la planète.
La température moyenne va donc y être plus élevée et les masses d’air au contact vont donc se dilater, devenir moins denses et subir un mouvement ascendant (vers le haut), créant ainsi un appel d’air venant des plus grandes latitudes : c’est ainsi que les vents alizés sont dirigés vers l’équateur.
En montant, l’air se refroidit, sa température s’équilibre et devient uniforme, l’ascension cesse vers 15 km d’altitude et les masses d’air se répartissent vers le Nord dans l’hémisphère nord, et vers le Sud dans l’hémisphère sud. Puis les masses d’air redescendent et referment la boucle avec les alizés.
Mais pourquoi l’air se refroidit en montant. Ou plutôt, pourquoi la température diminue-t-elle avec l’altitude ?
Quand on met en contact deux objets à des températures différentes, en général le plus froid se réchauffe, le plus chaud se refroidit, et au bout d’un certain temps leurs températures s’égalisent. On appelle cela la conduction de la chaleur. Mais ce n’est pas ce qui se passe avec les masses d’air lorsqu’elles sont à des températures différentes, car deux échelles de temps sont en jeu : celle de la conduction, certes, mais aussi celle de la convection, c’est-à-dire l’échelle de temps des mouvements globaux.
Nous avons dit que les masses d’air équatoriales, moins denses, subissaient une force qui les faisait monter. Or il se trouve que ce mouvement est rapide, si bien que les masses d’air chaud montent en altitude sans pratiquement échanger de chaleur avec les masses d’air environnantes moins chaudes.
Comme la pression de l’air diminue avec l’altitude, les masses ascendantes subissent une dilatation, une détente qui les refroidit. Cette détente se fait sans échange de chaleur avec l’environnement. Lors de la descente des masses d’air, vers les tropiques, c’est le contraire qui se produit : l’air se trouve comprimé parce que la pression avoisinante augmente, et cette compression les réchauffe. Le gradient thermique, c’est-à-dire la variation de température de l’atmosphère avec l’altitude, est ainsi gouverné par des mouvements de l’atmosphère : 9,5° par kilomètre pour de l’air sec, 6,5° par kilomètre pour de l’air humide. Cette différence s’explique par le fait que quand l’air est humide, en montant la vapeur d’eau se condense en gouttelettes, ce qui libère la chaleur latente de liquéfaction (c’est le contraire de l’évaporation, qui nécessite un apport de chaleur). Cet apport de chaleur fait que la température de l’air humide diminue moins vite avec l’altitude que l’air sec.
Notons que les vents peuvent atteindre des valeurs très élevées, jusqu’à 200 km/h. Plus les masses d’air sont importantes, plus les appels d’air associés à leurs mouvements verticaux sont forts, et plus les vents résultants peuvent être violents.
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Jacques Treiner, Physicien théoricien, chercheur associé au laboratoire LIED-PIERI, Université Paris Cité
Cet article est republié à partir de The Conversation sous licence Creative Commons. Lire l’article original.