Comprendre la rotation des ouragans (cyclone tropical ou typhon

Comprendre la rotation des ouragans (cyclone tropical ou typhon)
Nous étudions dans les questionnaires les conditions spéciales qui donnent
naissance aux ouragans au-dessus des mers tropicales : de l’eau de surface
chaude (plus de 26,5 °C), un certain éloignement de l’équateur (8° de latitude) et
un groupe d’orages qu’on nomme perturbation tropicale. Nous n’étudions pas les
conditions nécessaires à la naissance d’une perturbation tropicale. Nous allons
chercher à comprendre pourquoi l’air d’un ouragan circule de la façon indiquée sur
la figure.
L’air est aspiré en tourbillonnant vers
la base de l’ouragan, puis il monte sur
le pourtour de l’oeil pour être
finalement éjecté en tourbillonnant du
sommet de l’ouragan.
Dans
l’hémisphère
Nord,
le
tourbillon de surface est dans le
sens
antihoraire;
le
tourbillon
supérieur est dans le sens horaire une
fois qu’il s’est éloigné de l’oeil (près de
l’oeil, le vent doit changer de direction
et c’est assez confus).
Dans l’hémisphère Nord, les conditions favorables à la naissance des ouragans existent de juin
à novembre. Il naît de 45 à 60 ouragans officiels (vent maximum soutenu de plus de 117 km/h)
par année.
Un ouragan est essentiellement une «machine à vapeur» qui transforme l’énergie de la vapeur
d’eau en mouvements ascendants et tourbillonnants de l’air (figure précédente). Il est difficile
de se faire une idée juste de l’énergie de cette machine. L’énergie de mouvement de l’air
produite par un ouragan dans une journée est du même ordre de grandeur que l’énergie
consommée dans la même journée par l’humanité entière pour s’éclairer, se transporter,
fabriquer des biens, etc.
Les ouragans sont extrêmement destructeurs, mais ce sont des phénomènes normaux qui
jouent un rôle important dans la redistribution de la chaleur à la surface de la planète. Ils ont
d’ailleurs, comme les orages, des effets bénéfiques au niveau des apports d’eau douce.
Traces d’eau froide créées
par deux ouragans.
Animation de la NASA :
http://svs.gsfc.nasa.gov/search/Key
word/Atmosphericscience.html
La figure suivante montre les mécanismes de destruction d’un ouragan : les pluies
abondantes, les vents violents et la montée du niveau de la mer. La montée du
niveau de l’eau est créée par les vents qui poussent sur l’eau et par les variations
de la pression de l’air sur l’eau qui accompagnent l’ouragan.
500 à 1000 km
fortes pluies pouvant
s'étendre à des
centaines de km
du centre de l'ouragan
500 à 1000 km
zone des plus gros effets
de soulèvement du niveau
de la mer (jusqu'à 6 ou 7 m)
zone des vents de plus de 62 km/h
(ils peuvent atteindre 300 km/h)
vagues crées par
l'ouragan (jusqu'à
15 ou 20 m)
jusqu'à
300 km
déplacement
direction du vent au sommet
(à la base c'est l'inverse)
oeil (30 à 50 km), une zone sans
nuages où la pression est très basse
Vue à vol d'oiseau d'un ouragan de l'hémisphère nord
Accumulations de pluie de l’ouragan Isabel (2003). Animation de la NASA (idem)
Soulèvement du niveau marin
d’un ouragan (le maximum
enregistré a été de 13 m !).
Images NOAA
Qu’est-ce que comprendre un phénomène naturel ? Quand on dit qu’on comprend
quelqu’un, on dit en fait qu’on peut prévoir facilement ce que la personne va faire. De la
même façon, comprendre un phénomène naturel c’est pouvoir prédire à peu près ce qui va
arriver à partir de quelques idées simples et sans avoir à faire une longue analyse.
Essayons de dégager les idées vraiment essentielles pour prédire que les vents d’un
ouragan doivent tournoyer et pour prédire dans quels sens.
1. Les mouvements verticaux de l’air sont contrôlés par le principe d’Archimède. Les
mouvements horizontaux, eux, sont liés aux différences de pression. La pression moyenne
à l’altitude 0 mètre est de 1013 millibars (le 101,3 kilopascals du bulletin de météo). L’air
cherche à fuir les régions où la pression est plus haute que la moyenne (High) et à envahir
les régions où la pression est plus basse que la moyenne (Low). C’est ce comportement
qui est à l’origine des vents. Complétez le dessin suivant pour montrer comment vous
pensez que l’air va d’un centre de haute pression vers un centre de basse pression.
2. La carte ci-contre montre un centre de
haute pression (H), un centre de basse
pression (L) et la direction du vent. On
constate que l’air va bien des hautes aux
basses pressions, mais qu’il ne le fait pas
en ligne droite. Il le fait en tournoyant autour
des centres de la façon indiquée sous la
carte. Ces deux sens de rotation résultent
en fait d’une seule et même règle: au nord
de l’équateur, le vent dévie toujours vers sa
droite (au sud, c’est vers sa gauche).
Appliquez cette règle aux vents de la figure
suivante pour vous convaincre que cela
donne bien les bons sens.
direction du vent s'il
ne déviait pas vers
sa droite
L
H
3. Comme les vents au nord de l’Équateur dévient vers la droite et que ceux au
sud de l’Équateur dévient vers la gauche, il faut nécessairement que les vents ne
soient pas déviés sur l’Équateur lui-même. Comme un ouragan ne serait pas un
ouragan sans rotation, il ne peut donc pas naître sur l’Équateur, même si la
température de l’eau est assez chaude. Montrez que l’affirmation précédente est
correcte en comparant sur les figures suivantes les zones où naissent les
ouragans et les zones où l’eau était à plus de 26 OC en juillet 2001.
Eau à plus de 26°en juillet 2001
Naissance des ouragans
En superposant les deux figures, on constate
que de nombreuses régions de la mer situées
au voisinage de l’Équateur avaient une
température supérieure au seuil critique de
26° en juillet 2001. C’est le cas par exemple
dans les océans Indien et Pacifique. Malgré
tout, il ne se forme jamais d’ouragan dans
ces régions. NOTE : Les ouragans qui ne
semblent pas respecter le seuil de
température se forment à d’autres mois.
4. La planète Terre possède un équateur parce qu’elle tourne sur elle-même,
l’équateur étant la ligne qui se trouve à mi-chemin entre ses deux pôles de
rotation. Qu’est-ce que la rotation de la Terre a à voir avec le fait que les vents
sont déviés ? Les travaux de Gaspard Coriolis ont permis de comprendre que
c’est la rotation de la Terre qui crée la déviation des vents.
Gaspard-Gustave Coriolis
(1792-1843, mathématicien
et ingénieur français)
Tous les objets à la surface de la planète prennent un peu moins
de 24 heures pour faire un tour, mais tous ces tours n’ont pas la
même longueur (figure ci-contre). Cela signifie que toutes les
parcelles d’air sur la même ligne nord-sud n’ont pas la même
vitesse vers l’est ! Si une de ces parcelles tente de se déplacer
dans le sens nord-sud, elle prendra du retard ou de l’avance sur
les autres parcelles. C’est « l’effet Coriolis » qu’illustre la
figure ci-dessous. Comment la parcelle dévie-t-elle au nord de
l’Équateur? sur l’Équateur? au sud de l’Équateur?
É : Ne dévie pas
le trajet vers le
nord de la parcelle
rouge vu par le personnage
S : Dévie
à gauche
ligne nord-sud
vitesses des
N : Dévie
parcelles sur
à droite
une ligne nord-sud
Pôle
Longueur nulle
Équateur
Longueur maximale
la parcelle suit
de plus en plus
facilement les
autres
équateur
la parcelle suit
de plus en plus
difficilement les
autres
Animation de la trajectoire d’une
rondelle lancée de Vancouver en
direction de Détroit. La rondelle
glisse sans frottement sur une
Terre lisse.
Trajectoire noire : sur une Terre
qui ne tournerait pas.
Rouge : vue par une observatrice
de Vancouver qui tourne avec la
Terre.
Bleue : vue par un observateur
sur la Lune qui regarde la Terre
tourner.
Source :
http://www.physics.orst.edu/~mcin
tyre/coriolis/East_GIF.html
5. Il ne reste qu’une chose à comprendre. Pourquoi un ouragan aspire-t-il l’air au
niveau du sol? Les ouragans se développent à partir d’un groupe de nuages
orageux. Il faut donc des conditions qui soulèvent de l’air chaud et humide, puis qui
permettent à cet air de monter comme des bulles dans l’air ambiant plus froid.
Expliquez pourquoi un tel mouvement ascendant crée une aspiration au niveau du
sol.
courants ascendants
d'air chaud humide
Un courant ascendant laisse nécessairement un certain manque d’air au niveau du
sol, ce qui fait chuter la pression à cet endroit. La différence de pression pousse
l’air des régions voisines à se diriger vers cet endroit pour tenter de combler le
manque. Cette aspiration dure tant que le courant se maintient.
La répartition de la pluie d’un ouragan
permet de situer les courants ascendants
(hot towers). La couleur indique l’altitude
(15 km en rouge foncé). Animation de la
NASA.
En conclusion, un ouragan c’est un courant ascendant chaud-humide (le moteur)
qui aspire à sa base encore plus d’air chaud-humide (le carburant) et qui rejette
en altitude de l’air plus froid et plus sec (les gaz d’échappement). À cause de la
rotation de la Terre, l’air aspiré converge vers le courant ascendant en
tournoyant.
http://s121758490.onlinehome.fr/edl/cyclones/cyclones.htm
Faut-il connaître un peu la science ? Le réchauffement global
Connaître quelque chose fait toujours de nous des personnes plus averties,
mais cela n’est pas une nécessité. On ne peut pas s’intéresser à tout et toucher
à tout. Dans le domaine des risques naturels, on peut appliquer correctement
des « recettes » sans connaître tout ce qui les fonde. Par exemple, il est
possible d’appliquer des « recettes » pour renforcer considérablement une
maison et éviter son effondrement lors d’un tremblement de terre sans rien
connaître de la sismologie, de la mécanique des sols et du génie civil.
Ne rien savoir de la science devient un handicap quand on souhaite
comprendre comment les choses marchent ou quand on veut se faire sa propre
idée sur un sujet qui est l’objet d’un débat public. Ces sujets sont actuellement
passablement nombreux. Voici quelques questions d’actualité :
Faut-il interdire les aliments modifiés par génie génétique (OGM) ?
Est-il dangereux de transplanter des organes de porc dans les humains ?
Le climat est-il en train de changer de façon radicale ?
Les pesticides dérèglent-ils le système hormonal des enfants ?
Y a-t-il des régions assez stables pour y enfouir les déchets nucléaires ?
Il suffit parfois de prendre conscience d’un aspect des choses auquel on n’a
jamais pensé avant pour voir un sujet d’un oeil neuf. Les listes d’ingrédients sur les
produits alimentaires en sont un bon exemple. La liste des ingrédients de certains
aliments est une longue liste de composés chimiques. Pour d’autres produits, au
contraire, on ne trouve que des ingrédients naturels comme l’eau, le sucre, le jus
d’orange... Savez-vous que si les lois étaient différentes et qu’il fallait écrire tous
les ingrédients du jus d’orange, par exemple, la liste contiendrait 100 composés
chimiques dont le 5,6-Dimethyl-8-iso-propenylbicyclo-[4.4.0]-dec-1-ene ? Le
concept de « naturel » change d’allure quand on réalise que tous les aliments
sont nécessairement faits de composés chimiques.
Liste complète des ingrédients
d’une orange. Page web.
Pour voir plus clair dans le problème du réchauffement global
de la planète, il faut prendre conscience de certains aspects
peu familiers des choses.
Par exemple, vous connaissez sûrement les divers
rayonnements que les objets peuvent émettre : micro-ondes,
lumière, infrarouge, ondes radio, etc. Mais savez-vous que
tous les objets qui vous entourent émettent constamment un
ou plusieurs de ces rayonnements et que cela les refroidit ?
On n’y pense pas parce que, le plus souvent, cette émission
est invisible. Mais elle existe bel et bien. C’est pour cela
qu’on peut ralentir le refroidissement d’un poulet chaud en
l’enveloppant dans un miroir formé par une simple feuille de
papier d’aluminium. On utilise d’ailleurs le même truc avec
les maisons et les personnes (les « space blankets »). Le
rayonnement émis par une souris permet à un serpent, qui «
voit » ce rayonnement, de chasser à la noirceur ; de même,
avec l’équipement approprié, les gardes-frontières « voient
» les personnes qui tentent d’entrer illégalement dans un
pays de nuit. On ne s’étonne pas de voir un objet très chaud
(flamme, élément de grille-pain, lave...) émettre de la
lumière, mais on ne pense pas que l’objet émet du
rayonnement à toute température.
Réflecteur en aluminium pour réduire les
pertes de chaleur.
Rayonnement infrarouge émis
par deux maisons.
C’est l’analyse du rayonnement constamment émis par un morceau de la surface
terrestre qui permet à un satellite de mesurer à distance la température de ce
morceau. La figure montre les températures de surface calculées à partir des
données des détecteurs de radiation MODIS montés sur les satellites Terra et
Aqua. Il s’agit de la température moyenne pour le mois de juillet 2003 durant les
vagues de chaleur qui ont augmenté beaucoup les taux de mortalité en Europe.
Ce type d’informations n’est disponible que pour les années après 1980.