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Météorologie et discontinuité - Matière et Révolution
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Météorologie et discontinuité

mardi 26 mars 2013, par Robert Paris

Météorologie et discontinuité

De nombreux phénomènes météorologiques témoignent du caractère fondamentalement discontinu de cette dynamique : depuis les phénomènes brutaux (chutes de neige, de pluie, de grêle, etc, orage, cyclone, tempête, …) et jusqu’à la formation des anticyclones et dépressions, des anticyclones mobiles polaires et des zones d’air chaud équatoriaux et à leur confrontation. Un symptôme de ce caractère discontinu : le déclenchement brutal des phases de la floraison ou de l’hibernation dans une région. Les saisons sont des discontinuités bien connues en météorologie… La notion de climat liée à une latitude indique également des discontinuités de zones appelées climat polaire, climat tempéré, climat tropical et climat équatorial.

Le changement discontinu d’état entre solide, liquide et gaz est à la base de toute la météorologie, que ce soit celle liée aux nuages, aux mers, aux océans,…

Le changement discontinu d’état est profondément intégré dans la dynamique de l’eau, des nuages, des neiges, des glaces… voir ici

1- La discontinuité temporelle

La première chose qui est dite sur l’étude de la météorologie, concerne généralement sa distinction avec l’étude du climat. Or cette différence est d’abord une question d’échelle du temps. Et ce saut d’échelle produit un saut qualitatif dans le type d’étude : une véritable discontinuité.

Il y a une autre discontinuité temporelle : celle de la prédicabilité. Même avec les logiciels les plus performants, on ne peut pas prédire trop longtemps à l’avance ce que sera le temps. Il y a des seuils à partir desquels la probabilité d’erreur grandit de manière exponentielle…

En climatologie, la notion de discontinuité est aussi parfaitement valide. Les changements climatiques globaux sont brutaux et discontinus : voir ici

Si les différents types d’intervalles de temps sont intégrés les uns dans les autres comme des poupées russes, par contre les lois et dynamiques à l’œuvre aux différentes échelles du temps ne sont pas les mêmes avec des ruptures marquées entre différents niveaux du temps...

2- La discontinuité spatiale et géographique

Il faut savoir que l’étude de la météorologie a un sens à une certaine échelle et aucun à une autre. Cela signifie que l’on peut dire, avec une certaine probabilité d’erreur ce qui va se produire à condition de ne pas préciser trop la zone dans laquelle on réalise cette prédiction.

Quand on va du pôle à l’équateur, on devrait aller progressivement du froid vers le chaud, on devrait voir les pressions et les températures varier sans sauts. Ce n’est pas le cas. Et, loin d’être une progression graduelle, il y a des sauts et des fronts qui séparent les zones. De même, quand on va de la mer au continent, de la zone tempérée à la zone équatoriale ou d’une zone de vallée à une zone de montagne, etc… Il y a des ruptures.

La géographie détermine donc des zones climatiques. Il y a le relief, les zones d’eau, rivières, fleuves, lacs, mers et océans, etc… avec, par exemple, des zones d’influence océaniques et d’autres d’influence continentale. Et des discontinuités entre elles. Ou encore des zones d’influence désertique et d’autres maritimes et encore des discontinuités. Ou encore des zones de plaine, de basses montagnes, de moyennes montagnes et de hautes montagnes, avec entre elles des ruptures… Ces ruptures se marquent par le type de pluviosité, de nuages, de dépressions, d’ensoleillement, de températures, de pressions, de saisons…

Il y a également de grandes zones de cassures entre la zone polaire et la zone équatoriale.

Dans le modèle norvégien, il y a cinq masses d’air dans les latitudes moyennes de la planète. Les zones où ces masses d’air se rencontrent portent le nom de front et il y en donc quatre. Ces divisions proviennent de la circulation atmosphérique générale et de la position des divers courants-jets. En général, chacun de ces fronts est identifié à la masse d’air la plus froide, presque toujours située sur sa facette nord :

• le front arctique 2 : sépare l’air continental arctique (cA) (au-delà de 60 degrés nord et sud) de l’air maritime arctique (mA)

• le front arctique : sépare l’air maritime arctique (mA) de l’air continental polaire (cP) (entre 40 et 60 degrés de latitude).

• le front maritime : sépare l’air continental polaire de l’air (cP) de celui maritime polaire (mP)

• le front polaire : sépare l’air maritime polaire (mP) de l’air maritime tropical (mT)

Ces fronts varient en latitude selon la saison. Ainsi le front arctique 2 fait rarement son apparition au sud des îles arctiques avant la fin de l’automne dans l’hémisphère nord alors que le Soleil illumine de moins en moins les régions nordiques et que l’air se refroidit graduellement. Les différences entre masses d’air maritime et continental de même nom est essentiellement due au contenu en humidité alors que les températures y sont assez similaires.

D’autres fronts plus locaux ont également des noms :

• le front saharien : sépare l’air méditerranéen de l’air tropical sec ;

• le front équatorial : sépare l’air tropical de l’air équatorial ;

• le front des alizés : sépare l’air tropical maritime de l’air tropical sec du Sahara.

Lire ici sur les surfaces de discontinuité

3- La discontinuité de l’action dynamique

Bien des gens s’imaginent que les masses d’air (chaud et froid) se mêlent pour donner un air tiède. C’est le résultat de l’image des moyennes, de l’idée de tendance à aller vers l’équilibre et quelques autres fausses images.

En fait, les masses d’air se confrontent. L’examen d’un sondage de température effectué à travers une surface frontale montre que le passage de l’air froid à l’air chaud s’effectue par l’intermédiaire d’une couche de transition appelée "zone frontale" dont l’épaisseur peut varier de 100 mètres à plus d’un kilomètre. Eu égard à la pente moyenne des surfaces frontales (1/300e), l’extension horizontale de cette zone de transition varie de dix à plusieurs centaines de kilomètres. Dans cette couche de transition, la variation des grandeurs météorologiques est rapide comparativement à celle que l’on trouve à l’intérieur des masses d’air environnantes. On constate généralement une nette cassure des isobares au voisinage d’un front.

Cette cassure s’explique aisément : en effet, la pression est égale au poids de la colonne d’air de section unitaire qui s’étend jusqu’à la limite de l’atmosphère. Lorsqu’on se déplace vers le front chaud à travers l’air froid antérieur, il est évident que l’épaisseur de l’air froid diminue de plus en plus ; ce dernier étant plus dense que l’air chaud, le poids de la colonne d’air (et partant la pression) diminue jusqu’au passage du front, après quoi plus aucun changement n’intervient. De même, lorsqu’on se déplace vers l’arrière d’un front froid, le poids de la colonne d’air augmente pour la même raison : l’épaisseur de l’air froid augmentant progressivement.

Cet effet de surpression frontale cesse brusquement si l’on passe dans l’air chaud. Il y a donc discontinuité dans la variation de la pression, qui se traduit par une variation brusque de l’orientation des isobares (cassure). Si les isobares en ligne tiretée représentent le champ de pression avant l’arrivée du front froid, ce champ de pression sera, en accord avec les hausses mentionnées après le passage du front, représenté par les lignes continues. La cassure des isobares aura toujours sa pointe dirigée vers les hautes pressions. Le vent change brusquement de direction au passage du front de manière à correspondre à un mouvement cyclonique ; de là l’appellation "saute de vent cyclonique".

En conclusion, un front est toujours caractérisé par une saute de vent cyclonique, correspondant à une cassure dans les isobares, dont la pointe est dirigée vers les hautes pressions.

Un front météorologique est une surface de discontinuité étendue, qui sépare deux masses d’air ayant des propriétés physiques différentes (ex : température, humidité, pression). Le concept a été développé au début du XXe siècle par les météorologues norvégiens pour expliquer le comportement de l’atmosphère dans les latitudes moyennes terrestres : la formation des nuages, des précipitations, des dépressions et des anticyclones ainsi que leur déplacement.

À cause de la circulation de l’air le long de ces fronts, on distingue différents types de fronts :

• le front chaud est la zone où l’air de la masse d’air la plus chaude est déplacée vers celle plus froide par les vents

• le front froid est l’endroit où la masse d’air froid se déplace vers celle plus chaude

• un front stationnaire est la limite entre de vastes masses d’air chaud et froid qui sont en contact entre elles sans produire de mouvements relatifs d’une grande portée car les vents dans chacune des masses d’air sont parallèles au front (par exemple les fronts océaniques)

• un front occlus se développe lorsqu’un système météorologique s’intensifie et que son front froid accélère de sorte qu’il rattrape le front chaud. Lorsque le front froid atteint le front chaud, l’air chaud devient de plus en plus pincé ou coincé entre les deux fronts en altitude

• un trowal est le creux d’air chaud en altitude créé par le front occlus. Il se retrouve légèrement à l’arrière de celui-ci. En effet, la position du front occlus est celle qu’aurait le front froid coincé sous l’air chaud. Ce concept est utilisé dans certains pays comme le Canada et la Grande-Bretagne.

On retrouve également certaines lignes de démarcations de méso-échelle avec lesquelles on associe du temps et qui servent de limites entre masses d’air très locales :

• les creux barométriques

• les fronts de rafales sortant des orages

• les fronts de point de rosée qui séparent des zones dans une même masse d’air où on a une frontière d’humidité marquée

• les ondes tropicales.

Lorsque deux masses d’air ayant différentes caractéristiques physiques entrent en contact, l’air froid, plus dense, tend à glisser sous l’air chaud qui s’élève en s’étendant (ascendance). Une fois l’air chaud refroidi dans les couches supérieures de la troposphère, l’humidité qu’il contient se condense en donnant naissance à des nuages caractéristiques (cirrostratus, altostratus, nimbostratus), qui donnent des précipitations (pluie, neige, grésil, bruine, etc.). Dans les dépressions importantes, le front froid s’engouffre violemment sous le front chaud en produisant un fort courant d’ascendance qui donne naissance à des nuages convectifs : cumulus, cumulus bourgeonnants et cumulonimbus). Ces derniers produisent des averses ou même des orages qui peuvent contenir de la grêle, produire des rafales descendantes violentes et des tornades. Dans les deux cas, se rétablit plus ou moins lentement un équilibre entre les deux masses d’air (front occlus), et le phénomène de glissement prend fin. Le passage des fronts froids ou chauds sur une région cause l’abaissement ou l’élévation de la température atmosphérique locale.

En fait, les fronts ne sont que le résultat des mouvements de l’atmosphère et non leur cause. Les événements décrits ci-dessus sont le résultat des mouvements verticaux de l’atmosphère, un fluide en rotation, que l’on peut expliquer par la thermodynamique et la mécanique des fluides. Les zones de contrastes que marquent la présence de fronts causent ces mouvements et non les fronts eux-mêmes. L’air plus doux ne se soulève pas parce qu’il est repoussé vers le haut par l’air frais de surface mais bien parce la convergence des vents dans la colonne d’air le long des fronts génère un mouvement ascendant.

4- Les discontinuités entre les types d’ordres auto-organisés

La dynamique de la météorologie est fondée sur des structures auto-organisées comme les nuages ou les états de la neige qui sont des états qui sautent d’un niveau à un autre et dont la base est l’interaction entre des paramètres comme la force des vents, la pression, la température, le degré d’humidité dans l’air et l’ensoleillement (chaleur et fréquence du rayonnement). On pourrait croire que les moyennes décrivent une réalité continue mais il suffit de constater que les états décrits sautent d’un équilibre à un autre très différent de manière brutale pour constater que cela est faux. Ainsi, les nuages ont des structures et des niveaux d’altitude très différents quand on passe d’un équilibre à un autre. Les états de la neige ou de la glace connaissent les mêmes types de sauts. Les états de la météorologie sont eux aussi des discontinuités brutales. La raison fondamentale en est qu’il n’y a jamais un seul facteur mais au moins trois fondamentaux qui rétroagissent et le chaos qui en résulte ne peut trouver que des sauts qui sont des équilibres instables lointains les uns des autres.

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