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Les complexités du système climatique

mardi 2 mai 2006, par Daniel Giaccone

Astronomie et géographie des climats

Atmosphère et surface transforment en chaleur 70 % du rayonnement regagnant l’espace ; l’effet de serre donne des températures de surface supérieures à celle des 240 watts/m2. Le bilan radiatif confirme l’équilibre global du flux et détaille (selon lieux, dates et heures) les déséquilibres dus aux facteurs astronomiques gouvernant les cycles jour-nuit et été-hiver, et la répartition d’énergie solaire entre Nord et Sud, pôles et équateur. Sauf aux pôles, la rotation terrestre fait varier le flux solaire incident de zéro (nuit) à plusieurs centaines de watts par m2 (midi). D’où une variation diurne de la température en surface (très faible sur les océans, forte dans les déserts) modifiant le taux d’évaporation, et une nébulosité variable, avec stockage de la chaleur solaire (sol et atmosphère) entre jour et nuit.

L’insolation moyenne /24h obéit aux saisons, induisant variations de température au sol, évaporation, formation et dissipation des nuages. Suite au stockage de chaleur été-hiver, les saisons météo retardent sur les astronomiques : le maximum de température en France peut succéder au maximum d’insolation au solstice d’été. Ces stockages, plus forts dans les océans, modèrent les saisons, sévères avec la continentalité.

En moyenne annuelle le déséquilibre dépend de la latitude : entre 40° N et 40° S la Terre absorbe plus d’énergie du rayonnement qu’elle n’en émet dans l’infrarouge, le contraire étant vrai aux latitudes plus élevées. L’équilibre global est assuré par le transport vers atmosphère et océans d’un flux d’énergie des latitudes faibles vers les pôles : environ 6 petawatts traversent les cercles de latitude de 40 degrés vers le nord, au nord, et de 40 degrés vers le sud au sud ; 10 % des 60 petawatts deviennent chaleur dans chaque hémisphère. Selon la météorologie, la circulation de l’atmosphère transporte la moitié de ces flux : les masses d’air s’éloignant de la bande intertropicale en transportent plus que celles qui s’en rapprochent. L’autre moitié du transport de chaleur est océanique.

Circulation des océans

Vents et formes des bassins déterminent les courants de surface. Entre les tropiques, les eaux dérivent vers l’Ouest, accumulant la chaleur solaire, longent les côtes vers le Nord, dévient vers l’Est sous la force de Coriolis, adoucissant le climat d’Europe Occidentale. En mer de Norvège se réchauffent les vents frigides de l’Arctique. Les eaux salées et froides coulent vers les abîmes, remplacées par d’autres moins froides dérivant du sud au nord, cédant leur chaleur à l’air et emportant avec elles froid et gaz carbonique. Ce transport de chaleur né dans les Océans Indien et Pacifique Sud, traversant l’Atlantique du sud au nord, compense le courant froid du nord au sud au fond de l’Atlantique .

Cycles couplés d’énergie et d’eau

Océans et Atmosphère corrigent les inégalités d’ensoleillement, l’atmosphère véhiculant l’inépuisable liquide océanique pour favoriser la vie continentale. Inégalités d’échauffement, nature du sol et rotation terrestre déterminent les mouvements atmosphériques. Le maximum d’insolation (Soleil au zénith) se déplace entre tropiques du Cancer et du Capricorne avec les saisons.

L’insolation variable des océans entraîne évaporation et stockage de chaleur en surface. Variations plus marquées sur les continents. Les variations engendrent toujours de l’air soumis à la force de Coriolis. Un relief élevé limite la circulation de l’air, la moitié de la masse de l’atmosphère se trouvant sous 5 500 m. Sur les océans, les vents renforcent l’évaporation et le transfert à l’atmosphère de l’eau et de la chaleur latente. La chaleur regagne l’air quand la vapeur d’eau se condense pour donner nuages et précipitations.

Circulation générale de l’atmosphère

La circulation de l’atmosphère présente trois aspects : faibles latitudes, moyennes latitudes, et pôles. Important entre les tropiques, l’apport solaire varie d’été en hiver aux moyennes latitudes, surtout aux pôles. Faible entre les tropiques, la force de Coriolis suit les alizés pour devenir fondamentale aux latitudes moyennes et élevées.

Entre les tropiques l’ensoleillement augmente l’évaporation des mers peu nuageuses, chargeant de vapeur d’eau les alizés qui convergent vers le « front intertropical » (F. I.T) et les migrations saisonnières du Soleil, les zones semi-arides comme correspondant aux limites du F.I.T. Ces excursions président aux saisons sèches et humides, semi-annuelles à l’équateur, annuelles pour une saison humide s’écourtant en s’éloignant de l’équateur. Sur les régions à riche végétation, une partie de l’eau revient à l’atmosphère, favorisant les pluies à l’intérieur des continents. D’où le problème des modifications climatiques, conséquence de la déforestation.

Convergeant vers le F.I.T. l’air montant se refroidit dans la cellule de Hadley, se déstabilise (condensation de vapeur d’eau, libération de chaleur), « convection profonde » engendrant des systèmes nuageux avec cirrus et des cumulonimbus pénétrant la tropopause. Beaucoup d’eau retombe en pluie et une faible partie humidifie la stratosphère.

L’air montant redescend entre les nuages, puis dans la cellule de Hadley. Dépourvu d’humidité, il se réchauffe, sans nuages ni précipitations, conditionnant les déserts.

Sur le Pacifique la convection est à l’ouest du Pacifique équatorial, sur l’Indonésie, alors qu’à l’est, les Galapagos sont quasi désertiques. Sur la côte péruvienne peu arrosée, les remontées d’eaux froides et le courant d’Humboldt commencent une chaîne alimentaire comportant plancton, poissons, etc.

Situation inverse chaque décennie, la pression atmosphérique grandit à l’ouest, la convection gagne l’est avec typhons et inondations ; l’Indonésie connaît sécheresse et incendies de forêt, et sur la côte du Pérou le courant froid de Humboldt faiblit, remplacé à Noël par un courant chaud : El Niño. Les perturbations atteignent ou dépassent la Californie. Observation spatiale, mesures par satellite et progrès des calculs aidant, on comprend mieux les mécanismes de l’E.N.S.O. (El Niño-Southern Oscillation), dont les répercussions touchent la moitié du globe.

De 30° à 65° de latitude nord et sud, vents d’ouest dans la basse troposphère, avec sur les côtes est un climat plus rigoureux, torride l’été, glacial l’hiver, plus continental que sur les côtes ouest au climat océanique doux. Les transports d’énergie suivent les dépressions cycloniques : l’air humide monte amenant nuages et précipitations, tourbillons dominés par la force de Coriolis à l’intérieur des continents. Le rôle des montagnes est primordial : l’air humide atteint la Russie, mais les Alpes protègent l’Italie. Aux USA l’eau du Pacifique tombe sur l’ouest des chaînes de la côte Pacifique. A l’est, le désert. Cependant, sans barrières de relief, les dépressions sont parfois bloquées par les anticyclones, grands systèmes d’air sec en subsidence, établis sur les océans ou sur les continents en hiver. L’anticyclone débordant sur l’Europe occidentale en été raréfie les nuages, entraînant sècheresse et températures élevées. En hiver : temps très froid et sec.

Aux pôles dominent les différences entre été (soleil de minuit) et hiver (nuit polaire). Le flux solaire au « sommet » de l’atmosphère en été égale celui de l’équateur, mais atmosphère, nuages, glace et neige réfléchissent la majeure partie. Des cyclones violents naissent sur les océans sans glaces. Au-dessus des hautes calottes glaciaires, c’est l’anticyclone d’hiver avec températures extrêmement basses dans l’Antarctique et une circulation stable dans la stratosphère avec formation des nuages malgré l’humidité faible. Au pôle Nord (mince couche de glace flottante), conditions moins rigoureuses, nuages stratosphériques plus rares, circulation dans la stratosphère moins stable.

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