Manuel de météorologie by Gremese Editore

MANUEL DE

MÉTÉOROLOGIE

Alfio Giuffrida

Girolamo Sansosti

MANUEL DE

MÉTÉOROLOGIE Un guide pour comprendre les phénomènes atmosphériques et climatiques

GREMESE

Titre original : Manuale di meteorologia – Una guida alla comprensione dei fenomeni atmosferici e climatici Copyright GREMESE EDITORE 2006 © E.G.E. s.r.l. – Rome Traduction de l’italien : Mélanie Fusaro Crédits photographiques : Les instruments de météorologie illustrés en quatrième de couverture et aux pages 36, 45, 46 et 49 appartiennent au Service Météorologique de l’Aéronautique Militaire italienne. Dessins et photos des pages 51, 52, 53, 54 et 146 : copyright © 2006 EUMETSAT ; p. 126 : copyright © 2006 NOAA. Toutes les autres illustrations ont été réalisées par Girolamo Sansosti. Autant qu’il lui a été possible, l’Éditeur a tenté de retrouver les auteurs de toutes les photos publiées dans cet ouvrage, pour les signaler à l’attention des lecteurs. Ses recherches n’ayant hélas pas toujours été couronnées de succès, il les prie de bien vouloir lui pardonner d’éventuelles erreurs, lacunes ou omissions, et se déclare prêt à apporter des compléments d’information lors de nouvelles rééditions de ce livre. Il est également disposé à reconnaître les droits afférents aux clauses de l’article 70 de la loi n° 633 de 1941. Couverture : Patrizia Marrocco Maquette et mise en pages : Graphic Art 6 s.r.l. – Rome Imprimé par : La Moderna – Rome Première pubblication française (avec le titre Manuel de météorologie) Copyright édition française : GREMESE 2011 © E.G.E. s.r.l. – Rome www.gremese.com Tous droits réservés. Aucune partie de ce livre ne peut être reproduite, enregistrée ou transmise, de quelque façon que ce soit et par quelque moyen que ce soit, sans le consentement préalable de l’Éditeur. ISBN 978-88-7301-722-6

sommaire ASTRONOMIE ET MÉTÉOROLOGIE . . . . . . . . . . . d’Emilio Sassone Corsi NOTE INTRODUCTIVE . . . . . . . des auteurs

PRÉFACE. . . . . . . . . . . . . . . . du colonel Maurizio Brunetti

1. CONCEPTS GÉNÉRAUX . . . . .

BRÈVES NOTES SUR LA PLANÈTE TERRE . . . Parallèles et méridiens . . . . . . . . Hémisphères, coordonnées et fuseaux horaires . . . . . . . . . . . . . . . Mouvements de révolution et écliptique . . . . . . . . . . . . . . Les parallèles fondamentaux . . . . . Mouvement de rotation . . . . . . . Brève histoire du calendrier . . . . . Équinoxes et solstices . . . . . . . . Autres mouvements de la Terre . . . Zodiaque et précession des équinoxes

11 11

INTRODUCTION. . . . . . . . . . . . . . Vitesse des trains, paramètres et prévision . . . . . . . . . . . . . . Le mouvement d’une molécule . . . Particules d’air, vent et réticule de mesure. . . . . . . . . . . . . . . . . Stations météorologiques et standards internationaux . . . . . . . . . . . . Abri et instruments de mesure . . . .

11 12 13 14 14 16 16 17

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18 18 18

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19 21 21

L’ATMOSPHÈRE . . . . . . . . . . . . . . Troposphère. . . . . . . . . . . . . Tropopause et courants-jets . . . . . Stratosphère, inversion thermique et mouvements verticaux . . . . . . . . Mésosphère . . . . . . . . . . . . . Thermosphère . . . . . . . . . . . . Exosphère . . . . . . . . . . . . . . La radiation solaire : infrarouge, visible et ultraviolet . . . . . . . . . Albédo, absorption et réémission . . Bilan thermique et effet de serre naturel. . . . . . . . . . . . . . . . Équateur thermique et ZCIT . . . .

22 22 23

CHALEUR ET CHANGEMENTS D’ÉTAT . . . Atomes et molécules . . . . . . . . Température et chaleur . . . . . . Transmission de la chaleur : conduction, convection et rayonnement . Changements d’état . . . . . . . . Evaporation et chaleur latente . . .

2. PARAMÈTRES, OBSERVATIONS, MESURES . . . . . . . . . . . . . . .

29 30

33 33 34 35 35 36 36 41 42 45 47

OBSERVATIONS SPÉCIALES . . . . . . Les satellites météorologiques Les images satellites. . . . . . Le radar météorologique . . .

. . . .

49 49 52 54

3. MOUVEMENTS ATMOSPHÉRIQUES ET OCÉANIQUES . . . . .

LA CIRCULATION À 3 CELLULES. . . . . . Circulation méridienne . . . . . . Les courants océaniques . . . . . . La première cellule de Hadley . . . La deuxième cellule de Ferrel . . . Le jet polaire et la troisième cellule

. . . . . .

55 55 60 62 67 74

4. NUAGES ET SYSTÈMES FRONTAUX . . . . . . . . . . . . . .

LES NUAGES : FORMATION, TYPES ET . . . . . . . . . Formation . . . . . . . . . . Classification et typologie . . Les nuages bas. . . . . . . . Les nuages moyens . . . . . Les nuages hauts. . . . . . . Le cumulonimbus (CB) . . . Les espèces . . . . . . . . . Les variétés . . . . . . . . . Les particularités . . . . . . La couleur. . . . . . . . . .

27 28

DÉFINITION DES PARAMÈTRES FONDAMENTAUX La pression . . . . . . . . . . . . . . La température . . . . . . . . . . . . L’humidité. . . . . . . . . . . . . . . Le vent . . . . . . . . . . . . . . . . Les autres grandeurs mesurées . . . .

PRÉCIPITATIONS .

24 25 25 27

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77 77 78 78 79 79 80 81 81 81 81

manuel de météorologie

81 83

NUAGES PARTICULIERS . . . . . . Le stau et le foehn . . . . . . Nuages d’onde . . . . . . . Instabilité sous le vent . . . . Les traînées de condensation Nuages nacrés . . . . . . . . Nuages volcaniques . . . . .

. . . . . . .

84 84 86 87 87 87 87

LES BROUILLARDS . . . . . . . . . . . . Différence entre nuage et brouillard . Brouillard de rayonnement . . . . . Brouillard d’évaporation . . . . . . . Brouillard de détente . . . . . . . . Brouillard d’advection . . . . . . . .

87 87 88 88 88 89

. . . . . . .

LES SYSTÈMES FRONTAUX DES MOYENNES LATITUDES . . . . . . . . . . . . . . . Diffluence et confluence . . . . . . Front polaire et cyclogenèse . . . . Front froid et front chaud . . . . . Système frontal développé et précipitations . . . . . . . . . . . . Le front occlus . . . . . . . . . . La frontolyse . . . . . . . . . . . Instabilité pré-frontale. . . . . . . Instabilité post-frontale . . . . . . Se déplacer dans un système frontal Wind shear . . . . . . . . . . . .

Aurores polaires . . . . . . . . . . . 105 Le rayon vert . . . . . . . . . . . . 105 Les feux de Saint Elme . . . . . . . 105

PROCESSUS ADIABATIQUES . . . . . . . . . Transformations adiabatiques sèches et saturées . . . . . . . . . . . . . . Stabilité et instabilité . . . . . . . .

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89 90 91 93

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95 95 97 97 99 99 99

5. ANALYSE, ÉLABORATIONS ET PRÉVISIONS. . . . . . . . . . . . . . 107

. . . . . .

101 101 102 103 103 104

LES PHÉNOMÈNES OPTIQUES . Les mirages . . . . . . La Fata Morgana . . . Halo lunaire et solaire . L’arc-en-ciel . . . . . .

. . . . .

104 104 104 104 104

. . . . .

107 107 107 108 108

ÉLABORATION ET PRÉVISION . . . . . . . . Équations du mouvement et modèles Échelles de mouvement et élaborations numériques . . . . . . . Cartes prévues et prévisions . . . . .

109 109 109 110

GUIDE DE PRÉVISION . . . . . . . . . . . 111 Les principales cartes météorologiques . 111 Critères d’utilisation des cartes . . . 111 ORGANISMES INTERNATIONAUX L’OMM . . . . . . . . . L’EUMETSAT . . . . . L’OACI . . . . . . . . . L’ECMWF . . . . . . .

. . . . .

113 113 113 114 114

6. CLIMATOLOGIE . . . . . . . . . . 115 . . . . .

115 115 116 117 119

LE CLIMAT ET L’ENVIRONNEMENT . . . . . Les éléments qui caractérisent le climat . . . . . . . . . . . . . . . . La température . . . . . . . . . . . Les précipitations . . . . . . . . . . Le vent . . . . . . . . . . . . . . . Classification climatique de Köppen .

121 122 122 126 128 130

. . . .

133 133 135 136

CLIMATOLOGIE DU PASSÉ . . . . . . Panorama historique. . . . . . Le déluge universel . . . . . . Variations climatiques . . . . . Variations climatiques récentes

NOTES SUR LES VENTS . . . . . . . . . . 100 Les moussons . . . . . . . . . . . . 100 Up-welling et résurgence . . . . . . 101 LES PHÉNOMÈNES VIOLENTS . . Trombes d’air et tornade. Les cyclones tropicaux . . Les inondations . . . . . Le tsunami . . . . . . . Les tempêtes de sable . .

. . . . .

ANALYSE DES DONNÉES . . . . . . . . . Gradualité de la prévision . . . . . Dessin au plotter et tracé . . . . . Les données d’analyse . . . . . . . Carte AS et positionnement des fronts

. . . . .

LE CLIMAT DU POINT DE VUE DE L’HOMME Climatologie de montagne. . . . . Climatologie environnementale . . Climatologie urbaine . . . . . . .

BIBLIOGRAPHIE ESSENTIELLE . . . . . . . . 139

astronomie et météorologie

stronomie et Météorologie ont en commun une pratique vieille comme le monde et toujours actuelle : observer le ciel.

À partir de la configuration des étoiles et de la position des planètes, les populations antiques imaginaient pouvoir prévoir l’issue des guerres ou la santé de leur souverain, de même qu’à partir de la forme des nuages ils prévoyaient des saisons de sécheresse ou de richesse. Aujourd’hui, observer le ciel permet à l’homme de comprendre les aspects les plus fascinants et les plus mystérieux de l’univers, depuis sa naissance jusqu’à l’évolution des galaxies et du système solaire. Pour pouvoir observer le ciel étoilé, il faut, cependant, un ciel limpide, serein, et si possible dépourvu de pollution lumineuse. C’est pour cela que souvent, celui qui traite d’astronomie doit connaître aussi la météorologie, pour prévoir au mieux si sa nuit à l’observatoire sera fructueuse ou non. De nombreux observatoires astronomiques, professionnels et amateurs, sont dotés de stations météorologiques en mesure de relever les principaux paramètres atmosphériques. Souvent, ces systèmes sont connectés en réseau de manière à permettre un relevé des conditions météorologiques sur un vaste territoire et fournir des prévisions à court et moyen terme vraisemblables. La publication d’un manuel de météorologie complet a justement l’objectif de donner un instrument fonctionnel à tous les astrophiles qui, par nécessité ou par intérêt, désirent traiter de météorologie de manière structurée. Emilio Sassone Corsi Président UAI

note introductive

uand nous avons commencé nos études universitaires, nous avions pour passion la physique et les mathématiques. Au fur et à mesure que les examens se succédaient, nous avons commencé à voir quel était notre intérêt prédominant : la météorologie. Et cela nous a amenés, après la licence de Physique, à devenir Officiers de l’Aéronautique Militaire et à nous spécialiser en Physique de l’Atmosphère et Météorologie. Le travail que nous avons réalisé au cours des vingt-cinq dernières années a toujours été intéressant et nous a plongés dans divers domaines : des prévisions aux satellites météorologiques, de la climatologie aux publications scientifiques, des conférences internationales à l’enseignement. Et c’est justement en enseignant que, peu à peu, nous avons pu approfondir ce que nous avions déjà étudié sur les bancs de l’université et dans les cours de spécialisation. Ce livre, donc, réunit nos matières d’étude, nos notes et nos expériences. Nous avons organisé le matériel que nous avons utilisé pour enseigner de la manière la plus simple possible, en suivant un fil logique qui traite de la météorologie et de la climatologie de façon organique, du début à la fin. Nous nous sommes appliqués à exposer l’ensemble de manière à ce que même un profane en météorologie puisse peu à peu lire et comprendre notre travail. Nous espérons y être parvenus. Si le lecteur comprend et se passionne pour ce que nous avons écrit, cela voudra dire que l’objectif que nous nous étions fixé, c’est-à-dire celui de diffuser la météorologie, aura été atteint. Nous ne pouvons donc que vous dire merci et… bonne continuation. Les Auteurs Alfio Giuffrida et Girolamo Sansosti

préface

’est pour moi un grand plaisir que de présenter ce livre et ses auteurs, parmi les officiers du Service Météorologie de l’Aéronautique Militaire les plus qualifiés : le colonel Alfio Giuffrida, climatologue, et le lieutenant-colonel Girolamo Sansosti, météorologue.

Le colonel Giuffrida, diplômé en Physique et chef du Service Climatologie, a une très longue expérience dans le domaine du traitement statistique des données météorologiques et dans l’enseignement de la climatologie. Il a participé à de nombreuses conférences à l’étranger avec des travaux de qualité, en particulier sur l’évolution des températures et des précipitations en Italie et sur l’« Oscillation Méditerranéenne », un système connecté à distance au célébrissime Niño. Le lieutenant-colonel Girolamo Sansosti, lui aussi diplômé en Physique, a mûri une vaste expérience dans le domaine des prévisions, d’abord auprès des Départements opérationnels de l’Aéronautique Militaire et ensuite au Centre National. Mais c’est son activité sur les principales chaînes télévisées, où il présente les prévisions météo depuis quatorze ans désormais sur Rai 1, Rai 2, Rai 3, Isoradio et, principalement, dans le célèbre programme télévisé Uno Mattina, qui ont permis d’en apprécier la précision et la clarté d’exposition. Clarté que nous retrouvons dans ce travail, quand il explique les principes physiques qui gouvernent l’atmosphère de manière simple et compréhensible. Le Manuel de Météorologie est un texte scientifique et rigoureux, mais en même temps de lecture facile, qui traite de manière exhaustive la météorologie et la climatologie, des informations historiques aux arguments scientifiques et techniques. Le lecteur est introduit peu à peu dans le monde de la physique de l’atmosphère, à travers de nombreuses figures, accompagnées de didascalies claires, qui illustrent bien les phénomènes météo, et grâce à l’explication de termes parfois obscurs qui, à la lumière d’une diffusion croissante des prévisions météorologiques sur les médias et sur Internet, s’avèrent de plus en plus utiles à la compréhension de cartes météorologiques, de diagrammes et de prévisions aujourd’hui facilement disponibles sur le Web.

manuel de météorologie

Le livre, en même temps, remplit la fonction importante de répondre à l’exigence, fortement ressentie par la communauté des passionnés de météorologie, d’avoir un texte d’étude écrit de manière rigoureuse avec des contenus professionnels. En raison des arguments traités et du langage utilisé, le texte peut aussi être employé pour des cours de différents niveaux, tant d’enseignement secondaire général et/ou professionnel, que de spécialisation universitaire. En dernière analyse, cette œuvre constitue aussi une occasion de mettre en évidence le professionnalisme et le travail complexe que requièrent les prévisions météorologiques et les élaborations climatiques d’un pôle météorologique important tel que le Centre National de Météorologie et Climatologie Aéronautique (CNMCA). Colonel Maurizio Brunetti Dirrecteur du CNMCA

1. concepts généraux

Brèves NOTES SUR LA planète TERRE

Parallèles et méridiens

Ce chapitre a été inséré pour deux raisons : (1) donner la définition de tous les concepts que l’on rencontrera au cours de la lecture et (2) rappeler que la compréhension des phénomènes atmosphériques va de pair avec une bonne connaissance de notre planète, de ses géométries et, surtout, de ses rapports avec le Soleil, le moteur thermique de toute notre atmosphère. Pôle Nord

Méridiens Parallèles Hémisphère boréal

Équateur

Hémisphère austral

Pôle Sud

Fig. 1. Parallèles et méridiens

La Terre tourne autour d’un axe qui passe par le pôle Nord et le pôle Sud. À cause de cette rotation, la Terre n’est pas parfaitement sphérique mais légèrement écrasée aux pôles. Sa forme, donc, prend plus justement le nom de géoïde. Le plan perpendiculaire à l’axe de rotation s’appelle plan équatorial. L’intersection du plan équatorial avec la surface terrestre donne lieu à une circonférence maximale que nous connaissons tous comme Équateur. Le rayon moyen de la Terre est égal à environ 6 371 km, tandis que la différence entre le diamètre polaire et le diamètre équatorial est égale à environ 43 km. Toutes les circonférences imaginaires tracées sur la Terre et parallèles au plan équatorial sont appelées parallèles. La longueur des parallèles diminue, évidemment, au fur et à mesure que l’on approche des pôles. Toutes les circonférences imaginaires tracées sur la Terre et passant par les pôles prennent le nom de méridiens. Par convention, le méridien fondamental est celui qui passe par l’observatoire de Greenwich (Londres). La longueur d’un méridien est d’environ 40 009 km, tandis que la longueur de l’Équateur est d’environ 40 077 km.

Hémisphères, coordonnées et fuseaux horaires

La Terre est un géoïde, c’est-à-dire une sphère légèrement écrasée aux pôles. L’Équateur est le plus grand cercle de la superficie terrestre, situé sur le plan équatorial et perpendiculaire à l’axe de rotation de la Terre. Les parallèles sont des cercles plus petits que l’Équateur, situés sur les plans parallèles au plan équatorial. Les méridiens sont tous les cercles qui passent par les pôles.

L’Équateur partage la surface terrestre en deux hémisphères, l’hémisphère Nord (dit aussi boréal) et l’hémisphère Sud (dit austral).

manuel de météorologie

28’ 57’’ E, tandis que Miami, en Floride, se trouve à environ 81° W. L’altitude d’un point P est sa hauteur (en mètres) par rapport au niveau moyen de la mer. Si l’on divise le globe terrestre en 24 parties, au moyen de méridiens distants de 15° de longitude l’un de l’autre, l’on obtient 24 fuseaux horaires. Pour tous les pays appartenant au même fuseau, par convention, l’horaire est le même : il augmente ou diminue d’une heure, selon que l’on se déplace vers le fuseau suivant en allant vers l’Est ou vers l’Ouest.

La position d’un point, sur la surface terrestre, est indiquée par trois valeurs appelées coordonnées du point : latitude, longitude et altitude. La latitude d’un point P sur la surface terrestre est l’angle, calculé par rapport au centre de la Terre, entre le parallèle passant par P et l’Équateur. La latitude sera comprise entre 0° (à l’Équateur) et 90° (au pôle), et sera Nord (N) ou Sud (S) selon que l’on se trouve dans l’hémisphère Nord ou Sud. L’angle est exprimé en degrés (°), minutes (’) et secondes (’’) ; un degré est composé de 60’, une minute est composée de 60’’. Par exemple : 90° correspondent à l’angle compris entre l’Équateur et le pôle ; Rome se trouve à 41° 53’ 43’’ N, tandis que Sidney, en Australie, est située à une latitude d’environ 33° S. La longitude d’un point P est l’angle (calculé toujours par rapport au centre de la Terre) compris entre le méridien passant par le point P et le méridien fondamental passant par Greenwich. Plus l’on s’éloigne du méridien de Greenwich, plus l’angle est grand. En allant vers l’Est ce sera la longitude Est (E), en allant vers l’Ouest nous aurons la longitude Ouest (W). Rome, étant située à l’Est de Greenwich, est à 12°

Mouvement de révolution et écliptique La Terre tourne autour du Soleil en réalisant un mouvement de révolution sur une orbite qui n’est pas parfaitement circulaire mais elliptique, et dont le Soleil occupe l’un des deux foyers. Le temps que la Terre emploie pour parcourir une orbite complète autour du Soleil s’appelle année solaire, et elle est de 365 jours et 6 heures environ. Le plan imaginaire qui contient l’orbite terrestre est appelé plan de l’écliptique. Son intersection avec la sphère céleste est appelée écliptique et correspond au parcours apparent que le Soleil réalise en un an. Fig. 2. Latitude, longitude et altitude

P Latitude Nord

Méridien de Greenwich

Équateur

Longitude Est

Un point P sur la surface terrestre est indiqué par trois mesures ou coordonnées : latitude, longitude et altitude. La latitude est l’angle compris entre le point P et l’Équateur (mesuré par rapport au centre de la Terre et le long du méridien passant par P) : normalement, elle va de 0° à 90° Nord ou Sud, selon l’hémisphère dans lequel on se trouve. La longitude est l’angle compris entre P et le méridien fondamental passant par Greenwich (mesuré le long du parallèle passant par P) : normalement elle va de 0° à 180° Est ou Ouest, selon que P est à l’Est ou à l’Ouest du méridien fondamental. L’altitude est la distance entre P et le niveau de la mer (n.d.m.).

concepts génér aux Pôle Nord céleste

Fig. 3. Écliptique et sphère céleste

Point équinoxial ou Point du Bélier

21/22 décembre

22/23 septembre Ligne équinoxiale Ligne solsticiale

Périhélie

Écliptique Ligne des apsides

Orbite

Aphélie

de la Terre 21 juin 20/21 mars

Équateur céleste

Point équinoxial

Pôle Sud céleste

L’écliptique forme un angle de 23° et 27’ avec l’Équateur céleste, le rencontrant en deux points appelés points équinoxiaux ou nœuds.

La Terre tourne autour du Soleil le long d’une orbite elliptique. La voûte céleste, sur laquelle sont imaginées les étoiles fixes, a un pôle Nord, un pôle Sud et un Équateur dit Équateur céleste. L’écliptique est la ligne circulaire imaginaire donnée par l’intersection entre le plan contenant l’orbite terrestre et la voûte céleste. L’écliptique correspond au mouvement apparent du Soleil. La ligne équinoxiale réunit les deux points dans lesquels se trouve la Terre le 20/21 mars et le 22/23 septembre. La ligne solsticiale réunit les deux points dans lesquels se trouve la Terre le 21 juin et le 21/22 décembre. La ligne des apsides réunit l’aphélie (point de l’orbite terrestre le plus proche du Soleil) et le périhélie (point le plus éloigné du Soleil). Le nœud ou point équinoxial est l’intersection entre l’écliptique et l’Équateur céleste.

cercle polaire antarctique (à 66° et 33’ S de latitude). La position des cercles polaires et des tropiques n’est pas un hasard, mais liée à des situations bien précises. La latitude de 23,27 °C a été nommée tropique du Cancer et elle indique le point auquel, le 21 juin (c’est-à-dire au solstice d’été), les rayons du Soleil sont perpendiculaires à la surface terrestre. Cette date, dans l’hémisphère Nord, correspond au jour le plus long de l’année ; il y a en outre 24 heures de lumière sur toute la surface terrestre située au-dessus de 66,33 °C de latitude, c’est-à-dire entre le pôle Nord et le cercle polaire arctique. En même temps, tous les points de la Terre compris entre le pôle Sud et le cercle polaire antarctique se trouvent dans l’obscurité pendant 24 heures.

Les parallèles fondamentaux Certains parallèles, étant concernés plus directement par des questions de caractère géométrique, physique et climatique, ont reçu un nom prééminent par rapport aux autres. Outre l’Équateur, que l’on peut considérer comme le parallèle de latitude 0°, il y a quatre parallèles fondamentaux. Dans l’hémisphère Nord se trouvent le tropique du Cancer (à 23° et 27’ N de latitude) et le cercle polaire arctique (à 66° et 33’ N de latitude). Pareillement, dans l’hémisphère Sud se trouvent le tropique du Capricorne (à 23° et 27’ S de latitude) et le

manuel de météorologie

ver, au contraire, ils sont perpendiculaires au tropique du Capricorne ; au début du printemps et au début de l’automne, en revanche, les rayons solaires sont perpendiculaires aux pays qui se trouvent exactement sur l’Équateur. Il convient maintenant de faire une brève digression sur la durée de l’année.

Pôle Nord Cercle polaire arctique

Tropique du Cancer 66°33’

23°27’ Équateur

Brève histoire du calendrier Tropique du Capricorne

La mesure du temps est réalisée en étroite référence à la durée du jour et, surtout, à la durée de l’année, qui répète cycliquement les saisons. Outre les montres, l’instrument utilisé est le calendrier. Le calendrier utilisé encore aujourd’hui est celui instauré par le pape Grégoire XIII, et appelé « grégorien ». Il est intéressant de parcourir l’histoire du calendrier pour comprendre pourquoi c’est le calendrier grégorien qui nous est parvenu.

Cercle polaire antarctique Pôle Sud

Fig. 4. Tropiques et cercles polaires Les parallèles fondamentaux, outre l’Équateur, sont le cercle polaire arctique et le tropique du Cancer, dans l’hémisphère boréal ; le cercle polaire antarctique et le tropique du Capricorne, dans l’hémisphère austral.

Ces considérations s’appliquent, six mois après et en inversant les hémisphères, au jour du solstice d’hiver (le 21/22 décembre) : rayons solaires perpendiculaires au tropique du Capricorne, 24 heures de lumière entre le cercle polaire antarctique et le pôle Sud, 24 heures d’obscurité entre le cercle polaire arctique et le pôle Nord.

Le calendrier de Numa Pompilius Le calendrier utilisé par les Romains se basait sur les « phases de la lune ». Chaque cycle lunaire est d’environ 29 jours et demi, et 12 cycles correspondaient ainsi à un an. Ce calendrier (connu aussi comme calendrier de Numa) avait toutefois un retard d’environ 11 jours par an, vu que l’année solaire est composée non pas de 354 jours, mais de 365 jours, 5 heures, 48 minutes et 46 secondes. Pour compenser une telle différence, un mois supplémentaire, dit « marcedonius », de 22 ou 23 jours, était intercalé tous les 2 ans. De temps en temps, il fallait procéder à des ajustements ou des corrections qui, accumulés à d’inévitables erreurs, produisirent un retard du calendrier d’environ 3 mois par rapport à la saison réelle.

Mouvement de rotation La Terre tourne autour de son propre axe, qui s’étend du pôle Nord au pôle Sud, en accomplissant un tour complet en 24 heures. L’axe terrestre est incliné de 23°27’ par rapport à la perpendiculaire au plan de l’écliptique. De sorte que, au fur et à mesure que la Terre tourne sur son orbite, les rayons du Soleil arrivent sur une certaine localité avec une inclinaison différente selon la saison. Au début de l’été, à midi, en Italie, les rayons du Soleil sont perpendiculaires aux localités qui se trouvent à la latitude du tropique du Cancer ; au début de l’hi-

Le calendrier julien Pour faire coïncider de nouveau les mois avec la saison, Jules César fut contraint en 46 avant J.-C. de faire durer l’année en-

concepts génér aux

viron 3 mois de plus ; 46 avant J.-C. est en effet connu comme « l’année de la confusion », et semble ainsi avoir duré bien 456 jours ! L’année suivante, il n’y eut plus que 12 mois, de 31 et 30 jours alternés, sauf février qui était de 29 jours. Tous les 4 ans, l’on ajoutait un jour au 6e jour précédant les calendes de mars (« bis-sextum » d’où « bissextile »). Puis, l’an 8 avant J.-C., Auguste apporta d’autres ajustements, corrigeant aussi une erreur sur l’insertion de

l’année bissextile, et établit une durée des mois encore valable aujourd’hui. Ainsi arrangé, un tel calendrier fonctionnait déjà mieux que le précédent, mais il avançait d’environ 7 minutes par an. Une petite avance qui, cependant, au XVIe siècle correspondait à une différence de 10 jours ! Le calendrier grégorien Ce n’est qu’en 1582 que, par volonté du pape Grégoire XIII (1502-1585), fut apPôle Nord Cercle polaire arctique

Tropique du Cancer

Hémisphère

Hémisphère Équateur

illuminé

dans l’ombre

Tropique du Capricorne

Cercle polaire antarctique

Pôle Sud

Équinoxe du 20/21 mars et 22/23 septembre

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Fig. 5. Équinoxes et solstices Les deux équinoxes correspondent au 20/21 mars et au 22/23 septembre : à ces dates, les rayons du Soleil arrivent perpendiculaires à l’axe terrestre et, à midi, sur l’Équateur. La durée du jour est de 12 heures, égale à celle de la nuit, dans tous les pays du globe. Les deux solstices correspondent au 21/22 décembre (été austral et hiver boréal) et au 21 juin (été boréal et hiver austral). Le 21 juin les rayons solaires sont perpendiculaires, à midi, au tropique du Cancer. La calotte polaire arctique, délimitée par le cercle polaire arctique, est complètement illuminée, tandis que la calotte polaire antarctique est complètement dans l’obscurité. Au solstice d’hiver, c’est le contraire qui se passe.

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Solstice du 21/22 décembre

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manuel de météorologie

portée la correction de la différence qui s’était accumulée. Le jeudi 4 octobre 1582 fut suivi du vendredi 15 octobre 1582 (et non pas du vendredi 5), et de nouvelles règles furent introduites. Les années bissextiles séculaires (celles divisibles par 100) furent éliminées et ne restaient bissextiles que les années divisibles par 400. De cette façon, un siècle durait 36 524 jours et un quart de jour, égal à un an composé de 365 jours, 5 heures, 49 minutes et 12 secondes. Cette dernière valeur est tellement proche de la vraie (seulement 26 secondes de plus) que, pour la compenser, il suffira d’enlever 1 seul jour tous les 3 000 ans. Aujourd’hui encore, donc, le calendrier grégorien continue à être utilisé, en conservant un niveau de précision plus qu’acceptable.

Équinoxes et solstices Le mot équinoxe vient du latin « aequinoctium » (qui signifie « nuit égale »). Le 20 (ou 21) mars et le 22 (ou 23) septembre

71° 25° Est Sud

sont dits jours « équinoxiaux » parce que ces jours-là, l’axe de la Terre est perpendiculaire au plan de son orbite autour du Soleil et la durée du jour est exactement égale à celle de la nuit : 12 heures de lumière, de l’aube au coucher du soleil, en même temps en tous points de notre planète. Le jour et l’heure diffèrent d’une année à l’autre parce que la durée de l’année solaire n’est pas un multiple exact de 24 heures mais diffère d’environ 6 heures : la Terre retourne ainsi sur le même point de l’orbite, parfois en avance, parfois en retard ! Solstice, en revanche, dérive du latin « solstitium » (qui signifie « Soleil immobile ») : le 21 juin et le 21 (ou 22) décembre sont en effet les jours où l’axe terrestre atteint, dans l’hémisphère boréal, respectivement la même inclinaison (positive en été, négative en hiver) par rapport au plan de l’orbite : en été le pôle Nord est tourné vers le Soleil, tandis qu’en hiver c’est le pôle Sud. De sorte que le Soleil, dans son orbite apparente autour de la Terre, atteint ces jours-là son élévation sur l’horizon maximale et minimale. Concluons en disant que, toujours dans l’hémisphère boréal, le solstice d’été (21 juin) correspond au jour le plus long de l’année, tandis que le solstice d’hiver (21 ou 22 décembre), correspond au jour le plus court de l’année. Dans l’autre hémisphère, austral, c’est exactement l’opposé.

Autres mouvements de la Terre

Nord

Outre tourner sur elle-même et autour du Soleil, la Terre réalise aussi d’autres mouvements : l’un de précession et l’autre de nutation. Si l’on observe une toupie en rotation sur elle-même, l’on remarque que, malgré l’attraction due à la force de gravité, elle ne tombe pas par terre mais continue de tourner. L’effet de la gravité, associé à la forte rotation, fait décrire à l’axe de la toupie un petit cône en sens opposé à celui de la rotation.

Ouest

Fig. 6. Élévation du Soleil sur l’horizon maximale et minimale L’élévation du Soleil sur l’horizon est maximale en été et minimale en hiver. La formule pour la calculer est : 90° - latitude + inclinaison. L’inclinaison de l’axe terrestre, due au mouvement de la Terre sur son orbite, va d’un maximum de 23,27° (été boréal, le 21 juin) à un minimum de -23,27° (hiver boréal, le 21/22 décembre). Par exemple, pour la ville de Rome (lat. : 42°N), la hauteur maximale en été est environ 90° - 42° + 23° = 71°, tandis qu’en hiver elle descend à 90° - 42° - 23° = 25°.

concepts génér aux

du XVIIIe siècle. Cela signifie que l’inclinaison de l’axe terrestre varie peu à peu, en décrivant un cône et en revenant à la même inclinaison au bout de 26 000 ans. La nutation est une petite oscillation de l’axe terrestre, par rapport au centre de la Terre, pareil au tangage d’un bateau qui fend les flots par mer agitée. Elle se produit sur une période d’environ dix-neuf ans, et est due à l’attraction gravitationnelle réunie du Soleil et de la Lune : surtout à la variabilité de la position de la Lune et donc de son attraction sur le regonflement équatorial de la Terre.

De manière absolument semblable, la précession terrestre est le lent mouvement conique réalisé par l’axe terrestre autour du centre de la Terre. Il est dû à l’association de la rotation terrestre et de la force gravitationnelle, déterminée non seulement par le Soleil mais aussi par la Lune et les planètes alentour. La période de la précession est d’environ 26 000 ans, ainsi que l’avait calculé Newton au début

Zodiaque et précession des équinoxes

Axe terrestre

Fig. 7. Précession et nutation La précession correspond à un lent mouvement, de type conique, de l’axe de rotation terrestre, avec une période d’environ 26 000 ans. Elle est due à l’action gravitationnelle du Soleil sur le gonflement équatorial de la Terre. La nutation est une petite oscillation périodique de l’axe terrestre, à la manière d’une pendule, avec une période d’environ dix-neuf ans. Le prolongement de l’axe terrestre rencontre la sphère céleste en un point qui, de cette façon, décrit une courbe ondulée, appartenant à la famille des épicycloïdes.

Nous avons vu que le plan imaginaire qui contient l’orbite terrestre est appelé « plan de l’écliptique » (voir fig. 3) et que son intersection avec la sphère céleste est appelée « écliptique » et correspond au parcours apparent que le Soleil réalise en un an. L’écliptique rencontre l’Équateur céleste en deux points qui, à leur tour, sont rencontrés aussi par la ligne équinoxiale et sont donc appelés « points équinoxiaux ». La partie de la sphère céleste centrée sur l’écliptique et large d’environ 20° est appelée zodiaque et contient les constellations divisées en 12 quadrants de 30° chacun. Le mouvement de précession de l’axe terrestre va déterminer, cependant, un lent mouvement rétrograde des points équinoxiaux qui, année après année, se déplacent peu à peu le long de l’Équateur céleste. C’est ce que l’on appelle précession des équinoxes. Quand l’astronome grec Hipparque, il y a environ 2 000 ans, s’en aperçut, la ligne équinoxiale entrait dans la constellation du Bélier et donc l’on parlait du point équinoxial comme du « point du Bélier ». Actuellement, à cause de la précession des équinoxes, le point du Bélier est allé dans la constellation voisine, celle du Poisson.

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CHALEUR ET CHANGEMENTS D’ÉTAT

revanche, sont des corps qui se présentent dans un état physique semblable à celui de l’air.

Atomes et molécules

Température et chaleur

Dans la nature, la matière se présente sous forme d’atomes et de molécules. L’atome est le plus petit élément de composition d’une substance, composé d’un noyau fait de protons (de charge électrique +, c’est-à-dire positive) et de neutrons, entouré d’électrons (de charge électrique -, c’est-à-dire négative) : les électrons sont en nombre égal aux protons, afin de maintenir neutre la charge électrique globale de l’atome. Un gaz d’hydrogène est simplement composé d’atomes d’hydrogène (H), tous indépendants les uns des autres et se heurtant sans cesse. Certaines substances, en revanche, sont constituées d’un élément de base formé par un groupe d’atomes appelé molécule : par exemple, le carbone (C), qui dans la nature se trouve en molécule de 6 atomes chacune, et l’eau (H2O), dont la molécule est formée de 2 atomes d’hydrogène et d’1 d’oxygène (O). Les corps solides sont constitués de milliards de molécules et ont, à température ambiante, une forme spécifique ; à la différence des liquides qui, par la force de la gravité, sont obligés de prendre la forme du récipient qui les contient. Les aéroformes (c’est-à-dire gaz et vapeurs), en

Tentons de comprendre maintenant, de manière simple et sans trop de formules, la différence importante entre température et chaleur. L’énergie mécanique (E) d’un atome ou d’une molécule quelconque est l’énergie qui naît de son mouvement de translation, et est appelée énergie cinétique. Elle est due à la vitesse du corps et, par un groupe de molécules, s’exprime à travers la célèbre formule E c = ½mv 2 , où « m » est la masse du corps et « v » est la « vitesse carrée moyenne », calculée avec des moyennes faites sur les vitesses de toutes les molécules. Il existe aussi l’énergie de rotation mais, par souci de simplicité, nous la laissons de côté pour l’instant. Un cristal est un solide qui a la caractéristique d’être formé d’atomes qui se trouvent toujours dans la même position, au sommet d’un réticule imaginaire, liés l’un à l’autre par des forces de type élastique. Chaque atome, dans le cristal, a la capacité de se déplacer en oscillant autour de sa position d’équilibre, avec la vitesse carrée moyenne que nous avons observée tout à l’heure. Ce que l’on démon-

Atomes

Fig. 8. Atomes dans un cristal Dans un cristal chaque atome est lié par des forces de type élastique aux atomes qui l’entourent, oscillant autour de sa position d’équilibre avec une vitesse moyenne <v>.

Forces élastiques

concepts génér aux

tre, en appliquant à la physique les formules mathématiques, c’est que la température est directement proportionnelle à la vitesse carrée moyenne (au carré) des molécules, et donc à leur énergie cinétique moyenne. Plus l’oscillation des molécules autour de leur position d’équilibre est grande, plus la température est élevée. La température T se mesure en degrés, selon des échelles de mesure qui, au cours des siècles, sont arrivées au nombre de quatre : l’échelle Réaumur, l’échelle Kelvin, l’échelle Celsius et l’échelle Fahrenheit (nous verrons plus loin leur signification). Parlons maintenant de la chaleur. Dans un liquide ou dans un gaz, les molécules se déplacent librement. Cela signifie que leur position n’est pas bloquée au sommet d’un réticule cristallin, comme c’est le cas des cristaux. Toutes les molécules d’un gaz, qui se déplacent à la même vitesse moyenne, ont la même température T. L’énergie totale, cependant, est la somme des énergies de chaque molécule, qui ont chacune une énergie mécanique ½mv 2. La chaleur, donc, est définie comme l’énergie intrinsèque totale et est la somme de l’énergie mécanique produite par le mouvement de toutes les molécules qui composent le corps. Elle dépend ainsi soit du numéro N de molécules présentes, soit de leur température T commune. Elle peut augmenter (ou diminuer) si la température augmente (ou diminue), ou si le nombre de molécules augmente (ou diminue). De l’énergie mécanique microscopique des molécules d’un corps nous sommes passés, donc, à son énergie macroscopique équivalente qui est appelée chaleur ou énergie thermique. La thermodynamique n’est autre que l’ensemble de toutes les règles et lois mathématiques qui gouvernent les transformations de l’énergie de mécanique à thermique, et vice versa.

La température est normalement mesurée, selon l’échelle Celsius, en degrés centigrades (le symbole est °C). Dans le système international (SI), l’énergie thermique est mesurée en joule, de même que l’énergie mécanique. Une autre unité de mesure utilisée est la calorie, définie comme la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter de 1 °C la température de 1 g d’eau. De même, la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter de 1 °C un kilo d’eau est 1 kilocalorie (kcal), correspondant à 1 000 calories.

Transmission de la chaleur : conduction, convection et rayonnement En météorologie, la chaleur gagnée par le sol ou par les masses d’air sous l’effet du réchauffement solaire joue un rôle fondamental. Voyons donc comment la chaleur se transmet et se propage. Il y a trois mécanismes, qui sont appelés conduction, convection et rayonnement. La conduction permet le passage de la chaleur, par contact, d’un solide à un autre, sans transport de matière. La nature veut que les molécules les plus chaudes, au contact de celles d’un corps plus froid, perdent de l’énergie. Le corps le plus froid gagne de la chaleur et augmente de température, tandis que celui plus chaud perd de la chaleur et se refroidit. Après un certain temps (qui dépend de la nature et de la taille des corps), l’on atteint une température d’équilibre. La conduction a lieu graduellement aussi entre deux zones distantes du même corps qui se trouvent à des températures différentes. (En faisant une comparaison de type automobile, l’on a une sorte de tamponnement : l’automobile la plus rapide qui tamponne la plus lente perd de l’énergie dans le choc,

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Champ électrique E

tandis que la voiture tamponnée gagne de l’énergie.) L’on peut donc parler de conductibilité thermique d’un matériau, définie comme la vitesse à laquelle la chaleur se transmet à l’intérieur. Les métaux sont de bons conducteurs de la chaleur, tandis que le bois et l’air sont de mauvais conducteurs.

Champ magnétique B

Longueur d’onde

Fig. 10. Onde électromagnétique Schéma indicatif d’une onde électromagnétique qui se propage en direction horizontale, avec le champ électrique E et le champ magnétique B perpendiculaires entre eux et en rotation autour de la direction de propagation.

Les fluides sont des ensembles de molécules dont la position réciproque, à la différence des solides, n’est pas fixe. Les caractéristiques d’un fluide sont : densité, viscosité et compressibilité. À la catégorie des fluides appartiennent les liquides (incompressibles) et les gaz et vapeurs (compressibles). Étant un mélange de gaz, l’atmosphère est compressible. À l’intérieur d’un fluide, la chaleur se transmet par conduction ou par convection. La convection est un véritable transport de matière : dans la convection libre, les molécules les plus chaudes et les plus rapides se diffusent à l’intérieur du fluide, en perdant une part de leur énergie au profit des molécules les plus froides. L’énergie a tendance à se distribuer de manière équitable entre toutes les molécules et, s’il n’y a pas de sources de chaleur externes, l’on atteint un équilibre final où les molécules sont toutes à la même température. Quand il y

a une source de chaleur externe au fluide, en revanche, il y a convection forcée. Par exemple, une grande casserole pleine d’eau réchauffée par une flamme qui brûle sous le centre de la casserole. L’eau à la base se réchauffe, se diffuse faiblement, devient moins dense et monte vers le haut ; l’eau plus froide, qui se trouve à la surface et aux bords de la casserole, plus dense et plus lourde, est obligée de descendre. Un courant fluide, avec transport de chaleur, s’instaure alors. Ce mécanisme, bien connu en météorologie, est appelé thermoconvection et, comme nous le verrons plus loin, est à la base de la circulation générale de l’atmosphère. Le rayonnement est la troisième forme de transmission de la chaleur. Tout corps est en mesure d’émettre un type d’énergie appelé radiation électromagnétique, faite d’ondes impalpables composées de champs électriques et magnétiques capables de se propager aussi dans le vide à la vitesse de la lumière. L’émission de cette énergie, globalement, est proportionnelle à la plus ou moins grande température T du corps qui l’émet (loi de Planck). Les ondes électromagnétiques, dites aussi quanta ou photons, sont caractérisées par diverses longueurs l, appelées justement longueurs d’onde l, dont l’ensemble est appelé spectre électromagnétique.

Fig. 9. Casserole réchauffée et mouvements convecteurs Dans une casserole, l’eau réchauffée monte de bas en haut au centre de la casserole. L’eau plus froide descend vers le bas aux bords de la casserole. C’est un exemple de convection forcée.