Équilibre thermique de la Terre

En bref : L’inégale répartition de l’énergie solaire reçue par l’atmosphère et par la Terre, à l’origine des climats, provoque le déplacement de la chaleur des zones excédentaires équatoriales vers les plus hautes latitudes. Ce transfert d’énergie calorifique est assuré par les vents et le cycle de l’eau. De plus, les océans, importants régulateurs thermiques, emmagasinent, transportent et restituent en partie la chaleur à l’atmosphère. Cette circulation générale de l’air troposphérique est également influencée par la rotation de la Terre.

Les contrastes existant entre les zones froides et les zones chaudes font de l’air troposphérique une couche hétérogène et instable dans laquelle l’air circule à la fois horizontalement et verticalement. Lorsque la surface du sol ou de la mer est réchauffée par la chaleur du Soleil, elle réchauffe à son tour la couche d’air qui la recouvre. Lorsque cet air s’échauffe, il se dilate, sa densité diminue et il peut alors s’élever. En effet, un mètre cube d’air a une masse voisine de 1,3 kg à 20 °C. À 40 °C, cette masse diminue de près de 80 g ; l’air monte alors avec une vitesse de près d’un mètre par seconde. Ces ascendances de l’air se traduisent par une diminution de la pression qu’il exerce sur la surface de la Terre, créant ainsi une aire de basse pression atmosphérique ou dépression. Au contraire, l’air en se refroidissant devient plus dense et tend à descendre à la surface du sol : phénomène de subsidence. La pression exercée augmente, créant ainsi une aire de haute pression atmosphérique ou anticyclone.

Les hautes et basses pressions se déterminent par rapport à la pression moyenne (1013,25 hectoPascal, arrondie à 1015 hPa) exercée par l’air sur la surface de la Terre. L’existence de dépressions et d’anticyclones engendre les vents : l’air chaud en s’élevant, crée au-dessous de lui un vide qui attire l’air des régions environnantes. Par contre, l’air froid, en s’affaissant, crée sous lui une accumulation d’air qui doit s’échapper vers les régions voisines. Les vents soufflent donc toujours des zones de haute pression (anticyclones) vers les zones de basse pression (dépressions) selon une trajectoire très légèrement oblique par rapport aux lignes isobares (lignes d’égale pression atmosphérique) de sorte que l’air tourne autour du centre de l’anticyclone en s’éloignant progressivement : il diverge. Il tourne également autour du centre de la dépression, mais en s’en rapprochant peu à peu : il converge. Les différences de pression atmosphérique sont donc à l’origine des vents. À l’échelle de la Terre, la troposphère se comporte donc comme une sorte de gigantesque machine thermique fonctionnant entre une source chaude, la zone intertropicale, lieu d’ascendance de l’air et deux sources froides, les zones polaires, lieux de subsidence.
En résumé, l’anticyclone peut être assimilé à une montagne d’air, la dépression à une vallée et le vent à une rivière qui érode la montagne avant de s’accumuler dans la vallée. Dans l’atmosphère, le vent équilibre donc en permanence les pressions atmosphériques.

La rotation de la Terre rend complexe la circulation dans l’atmosphère : l’air chaud ne peut pas venir jusqu’aux pôles, mais retombe au niveau des régions subtropicales pour former les premières cellules de convection. De ces latitudes il se dirige au sol, soit vers les latitudes moyennes (westerlies et grands vents d’ouest), soit vers l’équateur (alizés). Les régions polaires, quant à elles, envoient au sol, un air très froid et très dense vers les basses latitudes. Parvenu aux latitudes moyennes, cet air heurte l’air plus chaud venant des tropiques : un front se crée, le front polaire, le long duquel vont naître des perturbations, éléments-clés du climat de nos régions. De plus, la rotation de la Terre engendre une force dite de Coriolis qui dévie tous les corps en mouvement sur la droite dans l’hémisphère Nord et sur la gauche dans l’hémisphère Sud.

En altitude, entre 6 000 et 12 000 m, les turbulences dues au mouvement de rotation de la Terre font naître deux grands courants d’air : les courants-jets ou jet-streams, qui circulent d’ouest en est à plus de 150 km/h entre la zone intertropicale et les latitudes moyennes boréales et australes. Ils sont responsables des anticyclones dynamiques sur leur flanc tropical et des dépressions dynamiques sur leur flanc polaire. Les dépressions et anticyclones résultent donc de mécanismes thermiques (refroidissement ou réchauffement de l’air) et dynamiques (circulation des courants-jets) parfois complémentaires.

[ Pour en savoir + ]

Répartition méridienne des différentes cellules de convection

D’après Pech, P., et Régnault, H., Géographie physique, PUF, 1992.

Il importe d’avoir clairement à l’esprit que la circulation actuelle de l’air dans la troposphère n’est que la conséquence de l’actuel bilan énergétique à la surface de la Terre. Il faut noter que l’Homme, par ses émissions polluantes, modifie de plus en plus ce bilan énergétique et donc la circulation de l’air troposphérique, avec pour conséquence des risques de modifications climatiques importantes.