Action du vent sur la surface de l`eau. Théorie d`Ekman.

Action du vent sur la surface de l'eau. Théorie d'Ekman.
• Circulation atmosphérique générale
La Terre est une sphère légèrement bombée au niveau de l'équateur et aplatie
au niveau des pôles. Sa surface est entièrement recouverte par l'atmosphère mais
nous ne nous intéresserons qu'à la couche basse de celle-ci, appelée atmosphère
météorologique. Son épaisseur varie de 8 km aux pôles à 18 km à l'équateur.
L'équateur recevant beaucoup plus de rayonnement solaire que les pôles, l'air
situé à son niveau aura tendance à s'élever tandis qu'au niveau des pôles, il tendra
plutôt à descendre. La figure ci-dessous montre ce à quoi ressemblerait la circulation
atmosphérique terrestre si la Terre ne tournait pas et s'il n'y avait pas de continents.
On observe que les vents devraient se diriger des pôles vers l'équateur au niveau du
sol. Voici les explications:
• À l'équateur, l'air qui est chauffée par le soleil prend de l'altitude (il s'agit d'un
courant d'air vertical).
• L'air en remontant en altitude prend aussi la direction du pôle Nord pour se
refroidir.
• En se refroidissant, l'air reprend la direction du sol, car il est plus lourd, au fur et à
mesure qu'il se rapproche du pôle.
• Comme l'air ne peut s'accumuler de façon infinie, l'air au pôle emprunte la
direction de l'équateur.
Cette description du mouvement général de l'air en atmosphère est très simpliste. Ce
mouvement de va et vient entre l'équateur et le pôle forme une immense cellule que
l'on appelle convective. Bien sûr l'observation montrent que la circulation des vents
ne se fait pas du tout de cette manière.

Le modèle réel des cellulles convectives
En réalité, l'air n'a pas le temps de se rendre au pôle pour se refroidir. Vers la
trentième latitude nord, l'air déjà refroidi redescend vers le sol. De là, l'air reprend
son mouvement vers l'équateur pour se réchauffer. En se réchauffant, l'air remonte
et ainsi de suite. Ce cycle décrit une plus petite cellule que celle présentée à la figure
précédente. Cette cellule porte le nom de Hadley. Ce scientifique est le premier à
avoir proposé une théorie qui décrivait déjà en 1735 le mouvement général de
l'atmosphère.
Un mouvement similaire à la cellule convective de Hadley se produit sur les
pôles. L'air des pôles a tendance à redescendre vers l'équateur pour être réchauffé.
Au fur et à mesure que l'air quitte le pôle, elle aura tendance à prendre de l'altitude
étant donné son réchauffement. L'air en altitude devenant de trop et se refroidissant
doit laisser sa place en remontant vers le pôle. La figure suivante montre que la
cellule polaire s'étend aux environs de la soixantième latitude.
Une troisième cellule a été ajoutée par l'américain Ferrel. Cette cellule à circulation
inversée se situe entre la trentième et soixantième latitude.
Cellules convectives dans l'atmosphère planétaire (source: Fédération Française de
la Montagne et de l'Escalade, www.ffme.fr)

Influence de la rotation terrestre.
Si on généralise la force de Coriolis et on l'applique au déplacement de l'air dans
l'atmosphère, tout déplacement (rectiligne ou autre) sera dévié sur sa droite dans
l'hémisphère nord et sur sa gauche dans l'hémisphère sud.
Les vents dominants au sol (gauche) et en altitude (droite).
La circulation de Hadley, ainsi que la force de Coriolis, dévient les vents qui
reviennent vers l'équateur vers l'ouest (alizés de nord-est dans l'hémisphère Nord et
de sud-est dans l'hémisphère Sud). Il existe une deuxième cellule dans laquelle les
mouvements sont descendants, vers 30°N et 30°S (cel lule de Ferrel), on y observe
des vents dominants d'ouest. Au niveau des calottes polaires, on observe au
contraire des vents dominants d'est. Il y a donc une circulation opposée des vents
dans les deux cellules (Ferrel et Hadley).
En plus, l'inertie thermique des surfaces terrestres étant beaucoup plus rapide
que celle des océans (la terre répond plus vite au changement de température), les
masses d'airs seront modifiées différemment suivant qu'elles survolent un continent
ou un océan.
Voici donc ci-dessous la répartition des vents dominants à la surface de la Terre
en Juillet. La situation en hiver étant très similaire excepté au alentour du continent
asiatique où la circulation se fait de la terre vers la mer (phénomène des moussons).

Répartition des vents dominants à la surface de la Terre en Juillet.
• Courants océaniques mondiaux
Système global de courant de surface en hiver (pour l'hémisphère Nord):

Nous observons que les courants marins adoptent la même attitude que les flux
atmosphériques, à savoir qu'ils sont globalement dirigés de manière à équilibrer le
bilan thermique entre les zones polaires et équatoriale. Ainsi les courants de surface
réchauffés dans les basses latitudes transportent leur chaleur vers les hautes
latitudes et les eaux froides polaires auront tendance à se diriger vers l'équateur.
Même si à première vue la température des eaux de surface paraît être le
principal paramètre régissant les courants, il existe certains paramètres qui viendront
perturber ou conforter cette situation. Par exemple dans certaines régions polaires,
les eaux de surfaces subiront un tel refroidissement qu'elles plongeront sous les
eaux plus chaudes venant de l'équateur; créant ainsi une circulation verticale des
eaux que l'on appelle circulation thermoaline.
Enfin si l'on compare les deux cartes représentant les courants océaniques de
surface et les flux atmosphériques au sol, on remarquera facilement leur similitude.
Les différences venant du fait que la circulation océanique est restreinte dans
l'espace par les continents. De ce fait les phénomènes tourbillonnaires seront plus
marqués dans les océans que dans l'atmosphère. Ainsi le fait que les vents
déterminent à eux seuls les courants marins est loin d'être aussi évident qu'il n'y
paraît.
• Action du vent sur la surface de l'eau
Le vent qui souffle possède une certaine énergie qui lorsqu'il survole une
étendue d'eau se transmet aux couches de surface. Une partie de cette énergie va
créer des ondes de gravité de surface qui entraînent légèrement l'eau dans leur
direction et une autre partie va contribuer à la génération ou la création de courants.
On peut imaginer plusieurs scénarios:
- Le vent contribuant à l'évaporation de l'eau engendre ainsi une augmentation de la
salinité dans la zone balayée par le vent. L'eau de cette zone est devenue plus saline
que celle d'une zone avoisinante où le vent n'a pas soufflé. Par principe de
conservation-continuité de la salinité (mais en supposant la température uniforme) il
va y avoir apparition d'un courant de surface tendant à rendre la salinité de l'eau
homogène.
- Suivant la température du vent, si celui-ci est plus froid (ou plus chaud) que l'eau,
on peut supposer qu'il va entraîner un refroidissant (ou un réchauffement) des eaux
de surface. La différence de température entre ces eaux de surface et d'une part les
eaux de la couche inférieure et d'autre part les eaux d'une zone avoisinante non
balayée par le vent, peut entraîner la création d'un courant soi horizontal soi vertical
qui tendra à rendre la situation homogène et en équilibre stable.
- Enfin, on peut se limiter à l'action de frottement du vent sur la surface de l'eau: c'est
le sujet de la théorie d'Ekman.