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       - Nuages, vents et éruptions  
    Hors série - Science & Vie - 1998-12-01      
    De la rond de la Terre autour du Soleil à la pression atmosphérique et aux précipitations, il n'est guère de phénomènes dynamiques affectant notre planète et son atmosphère dans lequel n'intervienne la gravitation.  
    Si un malin modifiait les programmes informatiques des services de la Météorologie nationale en posant simplement g = 0 au lieu de g = 9,81 m/s2 pour l'accélération de la pesanteur à la surface de la Terre, que se passerait-il ? Une catastrophe ! Certes pas climatique, mais numérique : les ordinateurs, si puissants soient-ils, s'affoleraient. Et même s'ils daignaient mener leurs calculs jusqu'au bout, ils ne donneraient au mieux que des prévisions météo farfelues.  
    De fait, la force de gravitation joue un rôle capital dans les phénomènes météorologiques. Elle Y intervient partout, même si ce n'est jamais seule et rarement de manière directe. Passer en revue tous ses jeux reviendrait à analyser la fort complexe machinerie du climat dans ses moindres détails : pas question Contentons-nous simplement de mettre en exergue les principaux phénomènes qui lui sont liés.  
    Avant de se plonger dans le bain des océans et de l'atmosphère terrestres, il n'est pas inutile de rappeler certaines vérités astronomiques. La force de gravitation agit à l'échelle astronomique et façonne non seulement l'Univers dans son ensemble, mais aussi des systèmes beaucoup plus petits. Notre Système solaire, par exemple. Passons sur le rôle de la gravité dans la formation d'une étoile telle que le Soleil et son allumage thermonucléaire. Regardons seulement le ballet céleste de la Terre.  
    Comme chacun devrait le savoir, la Terre, soumise au champ de pesanteur du Soleil, tourne autour de celui-ci. A environ 150 millions de kilomètres, sur une orbite elliptique mais quasiment circulaire. Ce seul tait détermine la quantité d'énergie solaire que la Terre reçoit globalement par unité de temps : par voie de conséquence, cela fixe également la température globale moyenne à la surface de la Terre, qui est de 15 °C environ. La distance Terre-Soleil eût été deux fois plus petite, ou deux fois plus grande, le climat aurait été trop chaud ou trop froid pour que la vie terrestre vaille la peine d'être vécue.  
    Un facteur déterminant du climat, qui a priori n'a rien à soir avec la gravitation, est le fait que la Terre tourne autour d'elle-même. L'axe de cette rotation (à laquelle est due l'alternance jour/nuit et boulot/dodo) fait un angle de 23° et des poussières par rapport à la verticale au plan de l'orbite terrestre. Il est bien connu que cette inclinaison est responsable de l'existence des saisons : le rayonnement solaire moyen reçu par chacun des hémisphères de la Terre varie selon la période considérée dans l'année. Il est moins connu que si cette inclinaison est restée à peu près constante au cours de l'histoire de la Terre, nous le devons à l'influence gravitationnelle de la Lune.  
    En effet, des spécialistes de mécanique céleste ont, ces dernières années calculé, que les perturbations - d'origine gravitationnelle bien sûr - provoquées sur la Terre par le reste des planètes auraient pu, en l'absence de la Lune, faire basculer maintes fois l'axe de rotation. La Lune garantit ainsi au climat terrestre une certaine stabilité, heureusement pour les aoûtiens.  
   

Variations astronomiques

 
    Tout de même, puisqu'on parle du passé climatique, il faut aussi garder à l'esprit que les paramètres astronomiques du mouvement de la Terre se modifient au cours du temps. Ainsi, la forme de l'ellipse décrite par la Terre varie légèrement selon un cycle d'environ 100'000 ans, ce qui entraîne une variation du rayonnement solaire reçu par la Terre (de l'ordre de 0,2 %), Par ailleurs, l'axe des pôles ne conserve pas une direction fixe par rapport aux étoiles mais, en raison de l'influence conjuguée de la Lune et du Soleil, décrit un cône en tournant autour de la perpendiculaire au plan de l'orbite terrestre : il accomplit ainsi un tour en 26'000 ans environ. C'est la "précession des équinoxes", effet que l'on peut observer en miniature avec une simple toupie, et qui décale légèrement les saisons d'année en année. Enfin, l'inclinaison de l'axe varie un peu également : elle oscille approximativement entre 22° et 24°, avec une périodicité de 40'000 ans. Plus cet angle est élevé, plus le contraste des saisons est important. La combinaison de toutes ces variations astronomiques peut avoir des répercussions non négligeables sur l'ensoleillement de la Terre et sa répartition. Le chercheur serbe Milutin Milankovitch s'est d'ailleurs fondé sur de telles considérations pour élaborer, vers 1924, sa théorie des glaciations qui ont frappé la Terre.  
    Quittons le cosmos pour nous concentrer sur la planète bleue. Faut-il rappeler que si elle possède une atmosphère, c'est à cause de la pesanteur qui règne, suffisamment intense pour que les molécules de l'air ne s'échappent pas dans l'espace ? Et que si - comme les autres planètes et les étoiles en général, mais contrairement aux astéroïdes - la Terre est ronde, c'est parce que la pesanteur est assez forte pour provoquer des éboulements et arrondir les reliefs trop irréguliers ? Or la présence d'une atmosphère et la rotondité sont deux facteurs clés de la météorologie. Cela va de soi pour l'atmosphère, un peu moins pour la rotondité.  
    Quelle conséquence météorologique a le fait que la Terre soit ronde ? Une répartition inégale, selon là latitude, de l'énergie solaire reçue. En effet, la distance Terre-Soleil étant très grande comparée au diamètre de la Terre ou du Soleil, les rayons solaires qui arrivent sur notre planète sont tous quasiment parallèles : il est alors simple de comprendre que, par unité de surface, le rayonnement reçu dans les régions polaires est moins important que celui reçu dans les régions tropicales et équatoriales. Pas étonnant, donc, que le climat polaire soit moins propice aux vacanciers que le climat tropical. Ce différentiel d'insolation constitue un puissant moteur climatique : pour établir un équilibre, la chaleur va devoir se déplacer des zones où elle est en excès vers celles où elle fait défaut. Nous verrons plus loin comment s'effectue ce transfert.  
    L'atmosphère, quant à elle, est le siège des phénomènes météorologiques. Plus d'atmosphère, plus de météo : il n'y aurait que des écarts de température, comme sur la Lune. Le jour serait torride, la nuit glaciale. Plus de vents, ni de précipitations, encore moins d'anticyclones des Açores : le nirvana ou le chômage pour les prévisionnistes ! Mais voilà, on dispose d'une atmosphère, et d'une pression atmosphérique que les baromètres mesurent soigneusement pour faire la pluie ou le beau temps. Vous êtes-vous demandé à quoi est due la pression atmosphérique ? À la gravitation, voyons ! En effet, les molécules de l'air, si légères soient-elles, pèsent sur celles qui sont en dessous, lesquelles appuient sur celle de l'étage encore en dessous, etc. Bref, le résultat est qu'au niveau du sol, nous avons à supporter tout le poids de la colonne d'air qui nous surmonte. Au total : I atmosphère, évidemment. Ou plutôt quelque 1015 hectopascals, pour se mettre au diapason des cartes synoptiques modernes. Ce qui, mine de rien, correspond à un poids d'environ un kilogramme par centimètre carré !  
    Curieusement, la pression à la même valeur en cas d'atmosphère très lourde de sous-entendus. En revanche, si l'on prend de la hauteur, la pression atmosphérique chute rapidement : à 20 km d'altitude, elle ne vaut plus qu'une cinquantaine d'hectopascals. La densité baisse également très vite. En fait, les dix premiers kilomètres d'altitude renferment les neuf dixièmes de la masse totale d'air, et au-dessus de 60 km ne subsiste que le millième de l'air. L'atmosphère, du moins celle jouant un rôle météorologique, forme donc une très mince coquille autour de la surface de la Terre. Les mouvements de l'atmosphère sont, par conséquent, quasi horizontaux.  
    Les mouvements verticaux de l'atmosphère existent quand même et, bien qu'ils soient plus lents (de l'ordre du cm/s en moyenne, contre une quinzaine de m/s pour les mouvements horizontaux), revêtent une importance capitale pour la machinerie du climat. Devinez à quoi ils sont dus ? En bonne partie à la gravitation, bien entendu. Le mécanisme est le suivant. Les rayons solaires chauffent le sol. A son contact, l'air s'échauffe à son tour. Or l'air chaud se dilate, donc devient moins dense que l'air plus froid qui le surmonte. Résultat : par le principe d'Archimède, l'air chaud se soulève, telle une montgolfière, et entame un mouvement d'ascension. C'est ce qu'on appelle de la convection thermique, c'est-à-dire un transport de chaleur lié à un déplacement de matière (la chaleur peut aussi se transporter par diffusion, ou par rayonnement, sans que la matière se déplace).  
    En s'élevant, les masses d'air chaud provoquent en dessous un appel d'air, et donc une dépression au niveau du sol il y règne une pression inférieure à la pression atmosphérique moyenne. Globalement les masses d'air chaud se forment surtout dans les régions équatoriales, qui reçoivent le plus de rayonnement solaire. Au voisinage des pôles, au contraire, les masses d'air sont froides, d'où de hautes pressions au niveau du sol. Air chaud et basse pression à l'équateur, air froid et haute pression aux pôles : l'atmosphère va se mettre en mouvement de façon à rééquilibrer les choses. Une circulation de l'air en "cellules "de convection s'établit, qui globalement amène l'air chaud de l'équateur vers les pôles et l'air froid des pôles vers l'équateur.  
    Le mécanisme est analogue à celui qu'on peut observer en chauffant une couche assez épaisse d'huile dans une poêle, le feu - intense - étant bien localisé centralement sous la poêle : l'huile s'échauffe au contact du support, surtout au centre, devient à cet endroit moins dense et s'élève donc vers la surface, se déplace radialement en se refroidissant, plonge vers le has puis revient vers le centre où elle se réchauffe à nouveau, et ainsi de suite.  
    Dans l'atmosphère terrestre, toutefois, la circulation des masses d'air est loin d'être aussi simple. D'autres phénomènes viennent compliquer ce schéma où la gravité, via la poussée d'Archimède, joue un rôle évident. Parmi les plus importants figure la rotation de la Terre, responsable de la pseudo force de Coriolis : cette force apparente tend à dévier tout mouvement horizontal vers sa droite dans l'hémisphère Nord, vers sa gauche dans l'hémisphère Sud. C'est pourquoi les alizés de l'hémisphère Nord soufflent non pas du nord vers le sud, mais du nord-est vers le sud-ouest. C'est aussi pourquoi les vents ne soufflent pas en ligne droite des hautes pressions vers les basses pressions mais tournent autour des anticyclones (hautes pressions) dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens contraire autour des dépressions (dans l'hémisphère Sud, c'est l'inverse), Ne détaillons pas plus. Ce qu'il faut retenir, c'est que la circulation atmosphérique dessine une configuration fort complexe, influencée par de nombreux facteurs (rotation de la Terre, frottement de l'air avec la surface, nature de cette surface - océan, forêt, désert, etc. -, répartition du rayonnement solaire, etc.), dont la convection thermique n'est pas le moindre. Et par ailleurs, on retrouve la convection thermique à des échelles beaucoup plus locales, par exemple dans la formation d'un orage, ou dans la brise de mer, cet appel d'air du large induit par l'ascension de l'air chauffé sur la terre ferme.  
   

Après l'air, l'eau…

 
    Quand elle nous tombe du ciel sous forme de pluie, neige ou grêle, remercions ou maudissons Sa Majesté la gravitation. Pas seulement parce que l'eau est soumise à la chute des corps. Aussi parce qu'elle est parvenue là-haut et y a formé des nuages. Là encore, le mécanisme tient du principe d'Archimède avec la chaleur, l'eau de la mer s'évapore, et la vapeur monte sous l'effet de la poussée d'Archimède. Lors de son ascension, elle se détend et se refroidit, ce qui entraîne sa condensation en gouttelettes liquides, voire en petits cristaux solides, d'où les nuages (la vapeur d'eau est, clic, complètement transparente). Quand ces gouttelettes ou cristaux atteignent une taille trop importante pour que le frottement de l'air ou les vents s'opposent à leur chute, on assiste à des précipitations. Lesquelles arrosent notamment les reliefs, d'où l'eau liquide percole et dégringole, donnant naissance à des sources, des rivières, des fleuves… qui la font revenir à ses origines maritimes.  
    Les océans, eux aussi, influencent fortement les climats. A l'instar de l'atmosphère, ils sont animés de mouvements - plus lents bien sûr - qui aident à distribuer la chaleur inégalement reçue du Soleil. Il existe ainsi des courants de surface, tel le Gulf Stream, courant chaud qui rend le climat européen est très tempéré par rapport au climat nord-américain. Mais les océans sont aussi le siège d'une circulation profonde, où le principe d'Archimède fait encore son oeuvre remontées d'eaux chaudes, plongées d'eau froides, mouvements que complique l'influence de la salinité. En effet, les densités de l'eau - et donc ses mouvements verticaux - dépendent à la fois de la température et de la salinité, et l'on parle de circulation thermohaline. Par exemple, les eaux froides des hautes latitudes ont une densité encore plus élevée du fait que les glaces, en se formant, expulsent le sel dissous et accroissent la salinité à leur voisinage.  
    Les océans font penser aux marées, phénomène gravitationnel par excellence. Les marées influencent-elles le temps qu'il fait ? Que nenni, n'en déplaise à certaines croyances populaires qui voient dans une grande marée d'équinoxe la cause de la tempête en cours. Le mauvais temps est dans ce cas lié à l'époque, qui correspond à une transition entre saisons, et la coïncidence avec une grande marée est, hormis cet élément, fortuite. De fait, l'influence des marées sur la pression atmosphérique atteint rarement l'hectopascal, et l'on voit mal une conséquence météorologique possible. "Aucun modèle météorologique ou climatique n'a besoin de prendre en coin pic les phénomènes de marées", précise Robert Sadourny, chercheur au Laboratoire de météorologie dynamique du CNRS à l'École normale supérieure, à Paris.  
    Après l'espace, l'air et l'océan, finissons par quelques mots sur les continents. Plus particulièrement sur les volcans, qui les percent par endroits. Une forte activité volcanique peut avoir certaines conséquences sur le temps. L'éjection dans l'atmosphère de grandes quantités de poussières et d'aérosols diminue en effet le rayonnement solaire reçu au sol et peut ainsi perturber le climat à plus ou moins grande échelle. C'est ce qui s'est passé avec la grosse éruption du volcan islandais Laki en 1783, éruption à laquelle était sans doute due la rigueur exceptionnelle de l'hiver européen 1783 - 1784. Autre exemple, l'éruption du Tambora, en Indonésie, en 1815, qui a entraîné un temps pourri l'année suivante dans l'hémisphère Nord. Plus récemment, on peut citer l'éruption du Pinatubo, en 1991. De telles perturbations sont transitoires et ne durent qu'un, deux, voire trois ans au maximum. Mais dans le passé de la Terre, il y a eu des épisodes d'activité volcanique très intense qui ont pu perturber beaucoup plus gravement et longuement le climat. Tel a sans doute été le cas lors de la transition Crétacé-Tertiaire, il a environ 65 millions d'années, et c'est l'un des facteurs possibles invoqués pour expliquer la disparition des dinosaures et quantité d'autres espèces vivantes. Fort bien, direz-vous, mais qu'est-ce que cela a à voir avec la gravitation ? La réponse est simple : le volcanisme est étroitement lié aux mouvements de convection qui animent le magma du manteau terrestre. Le magma chaud monte, le magma froid descend - le bon vieux principe d'Archimède, en somme !  
               
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