Énergie et circulation Terre-Atmosphère : Analyse scientifique

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CHAPITRE 1 INTRODUCTION
Le système terre-atmosphère tire l’essentiel de son énergie du soleil. Cette dernière est inégalement repartie à
travers la surface du globe. En effet, l’importance de l’énergie reçue à la surface du globe est fonction de l’angle
d’incidence du rayon solaire.
Si E
0
représente l’énergie solaire disponible à la limite supérieure de l’atmosphère, et ϕ l’angle que fait le rayon
solaire par rapport à la surface terrestre d’incidence, l’énergie reçue à la surface du sol est exprimée par la
relation suivante:
E
s
= E
0
sin ϕ
ϕϕ
ϕ
PN
E
0
ϕ
E ϕ
S
ϕ
E
0
PS
Elle est maximale à l’Equateur aux équinoxes de
printemps et d’automne. Les rayons solaires tombent
perpendiculairement à la surface équatoriale.
ϕ = 90°
Elle l’est aussi aux 2 solstices d’été et d’hiver ,
respectivement sur les tropiques de Cancer et de
Capricorne. Les rayons solaires frappent normalement sur
ces latitudes.
Equinoxes de printemps et d’automne
IL est donc clair que le jeu de la déclinaison n’offre qu’alternativement l’éclairement solaire aux régions polaires
nord et sud ; pendant qu’il le conserve à la longueur des temps sur les autres régions, avec une incidence
significative entre les tropiques.
PN
ϕ
T C ϕ
S
E
ϕ
PS
Solstice d’été
PN
E
ϕ
T C S
PS
Solstice d’hiver
NB : Le printemps commence à l’équinoxe du printemps et se termine au solstice d’été. On remarquera
aisément que dans les 2 cas, le pôle d’hiver est dans l’obscurité ; en effet, l’angle ϕ = 0° et, E
0
sinϕ = 0
et E
s
= E
0
sinϕ = 0
Ceci explique également la présence du soleil en toute période de l’année sur les régions intertropicales
avec un angle d’incidence variant de 66 à 90°, donc un maximum d’énergie solaire ou encore de
chaleur.
.
Mais malgré la réputation d’abriter les plus fortes chaleurs du globe avec des températures dépassant
largement 45°C au sol sur certains espaces, les régions intertropicales sont restées pendant longtemps

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très peu explorées du point de vue météorologique. Ces lacunes tiennent leurs racines dans un
développement technologique contrasté entre le nord et le sud, et plus singulièrement entre les
régions tempérées nord et le monde tropical. Une des conséquences de ces données est la lâcheté du
réseau d’observation aussi bien sur le continent que sur l’océan.
Ces difficultés ne sont pas de nature à faciliter la compréhension de la dynamique du système
terre-océan-atmosphère, surtout quand on sait que le pourcentage terre/océan est plus important dans
les régions tempérées nord que dans le domaine tropical.
Les premières sont à un stade très avancé de modélisation mathématique des différents processus
physiques et dynamiques du système terre-atmosphère, englobant bien entendu les régions
intertropicales lesquelles ont été déjà identifiées comme étant la source d’énergie du système global.
La complexité des processus va susciter davantage d’intérêt pour les régions intertropicales.
On initiera alors plusieurs programmes de recherches en la matière, parmi lesquels on peut citer :
o L’expérience de GATE (1974),
o L’expérience de la mousson Indienne MONEX (1979)
o L’expérience de la mousson ouest africaine WAMEX (1979).
Ces différentes expériences ont permis d’établir une distribution des différents champs moyens de
vent, de température, de pression …sur les régions intertropicales et, avec l’image satellitaire, de mieux
comprendre et interpréter les perturbations atmosphériques.
Des détails appréciables ont été également mis en évidence avec l’utilisation du réseau radar.
Aujourd’hui, la communauté scientifique internationale fonde beaucoup l’espoir qu’avec
l’avènement des satellites seconde génération de nouveaux produits viendront s’ajouter à l’existent, ce
qui permettrait d’instruire avec plus de précision la structure de l’atmosphère et les phénomènes qui y
prennent naissance.
La discrimination entre un nuage d’eau et un tapis de neige ou de cirrus fins ou encore la
reconnaissance d’un feu de forêt est une preuve évidente des résultats attendus
.
Chapitre II GENERALITES SUR LES REGIONS INTERTROPICALES

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I Les Origines de la circulation dans les tropiques
1. Le Bilan énergétique du système terre-atmosphère
a°) Bilan radiatif
( T )
Les courbes (T), (A) et (T/A) représentent respectivement les bilans
radiatifs au niveau de la terre, de l’atmosphère, et au niveau du
système terre – atmosphère. On remarque aisément que la surface de
la terre est une source chaude et que l’atmosphère est une source
froide. Le système globale terre-atmosphère présente quand à lui une
zone excédentaire comprise entre les 40°S et 40°N et un déficit très
marqué sur les autres régions. Mais force est de constater qu’à
l’échelle climatique il existe un équilibre thermique du système terre-
atmosphère.
En effet, l’énergie reçue par le système est
restituée. Ceci implique bien entendu l’existence de transport
d’énergie verticaux et méridiens des zones excédentaire vers les zones
déficitaires ce qui introduit en partie certains aspects de la circulation
générale.
+
(T/A)
-
40° 40°
(A)
90°S 60° 30° 0 30° 60° 90°N
bilan radiatif du système terre-atmosphère
b°) Bilan évaporation - précipitation
P
E
+ +
90°N 60°N 30°N E 30°S 60°S 90°S
- - -
E- P
Les courbes P et E représentent respectivement les bilans précipitations et évaporation. La courbe (E-P)
représente le bilan de la différence évaporation-précipitation. Ce bilan global (E - P) met en évidence
des zones excédentaires dans les régions tropicales et subtropicales, et des zones déficitaires ailleurs.
Les zones à bilan positif constituent donc des réservoirs de vapeur d’eau pour le système terre-
atmosphère. Cette dynamique suggère également l’existence des transports méridiens et verticaux au
sein du système, notamment la naissance des vents alizés dirigés vers l’équateur, c’est à dire les alizés
du NE et du SE.

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2. Equilibre thermique :
Comme on peut le constater, à l’échelle climatologique ou même annuelle, la température
n’augmente pas indéfiniment dans les régions tropicales ni ne diminue continuellement dans les
régions polaires et tempérées.
De même, on continue d’observer des quantités de précipitations supérieures à la quantité de
vapeur d’eau disponible notamment dans les régions équatoriales et tempérées. Ceci implique
l’existence des transports verticaux et méridiens de chaleur sensible et latente pour assurer un tel
équilibre au système terre-atmosphère :
a) Transferts méridiens:
Les transferts méridiens de chaleur sont assurés par les courants atmosphériques et marins .
Les courbes de ces transferts mettent en évidence un équateur « énergétique » différent de l’équateur
géographique ceci peut s’expliquer par le fait qu’il y a plus de continent que d’océan dans l’hémisphère
nord et donc plus d’énergie emmagasinée.
chaleur sensible
(courants marins)
-2,5
-2
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
2
2,5
90°N
60°N
30°N
E
30°S
60°S
90°S
latitude
energie
chaleur sensible
(courants atmosphériques)
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
90°N
60°N
30°N
E
30°S
60°S
90°S
latitude
énergie
chaleur latente
-2,5
-2
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
2
2,5
90°N
60°N
30°N
E
30°S
60°S
90°S
latitude
énergie
chaleur sensible et latente
-6
-4
-2
0
2
4
6
90°N
60°N
30°N
E
30°S
60°S
90°S
latitude
énergie

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b) Transferts verticaux :
les transferts verticaux de chaleur (sensible et latente) jusqu’à la tropopause sont assurés par les cumulonimbus.
Bien que occupant seulement le 1/1000 du domaine tropical, ils permettent d’équilibrer le bilan thermique en
altitude de toute l’atmosphère.
Ceci explique le rôle fondamental transfert Tour chaude transfert
des Cb de la zone tropicale z de chaleur de chaleur
dans le bilan énergétique du
système terre-atmosphère,
traduisant par là même divergence d’altitude
l’importance des courants verticaux
mécanismes ascendants
de convection
dans ces régions. convergence
de basses couches
courants alizés
II Les principaux modèles de la circulation générale .
Jusqu’au début du 19
ème
siècle, la connaissance des grands ensembles atmosphériques n’était que
partielle du fait de l’insuffisance des données d’observation à travers le globe. Néanmoins, ces
difficultés n’ont pas empêché aux météorologistes d’alors de réfléchir et de concevoir des modèles de
circulation générale utilisant leurs propre imagination et s’appuyant sur des considérations théoriques
des lois physiques et des contraintes d’équilibre énergétique.
Les différents résultats du bilan énergétique faisaient déjà entrevoir des possibilités d’échange de
masses et d’énergie entre les tropiques et les latitudes élevées, et entre le sol et l’atmosphère sur le
plan vertical. Il fallait donc imaginer une autre branche qui prendrait alors en compte l’ensemble de
l’hémisphère. Plusieurs modèles ont été proposés de 1735 à nos jours
1) Modèle de Hadley (1735)
Hadley en 1735 a proposé un modèle de circulation générale comprenant une cellule hémisphérique
unique. Cette dernière prend en compte une branche ascendante à l’équateur et une branche de
subsidence au pôle.
Pôle
Circulation Cette circulation tente d’expliquer le régime
ou les Alizés, mais ne décrit pas le régime
d’Est polaire.
cellule
30° de
Hadley
En effet, la condensation de l’air
humide pris dans les
mouvements ascendants libère
de la chaleur à différents niveaux
de la troposphère