La force de Coriolis est une force inertielle qui agit perpendiculairement à la direction du mouvement d’un corps se déplaçant dans un milieu lui-même en rotation. Cette force a été formalisée mathématiquement au XIXe siècle par l’ingénieur français Gaspard-Gustave Coriolis.
Le vent est une réaction de l’atmosphère à une différence de pression (on parle de gradient) entre deux lieux, obligeant les parcelles d’air situées dans les hautes pressions (anticyclones) à se déplacer en direction des basses pressions (dépressions).
On pourrait donc logiquement imaginer que lorsqu’une dépression se forme, elle soit rapidement comblée par l’air affluant des anticyclones avoisinants, mais ce n’est pas le cas. Contrairement à un ballon dévalant la pente d’une colline en ligne droite (répondant quant à lui à un autre gradient dit « d’énergie potentielle »), les vents tournent autour d’une dépression perpendiculairement à son rayon (en théorie du moins), et le comblement d’un système dépressionnaire prend énormément de temps. Pourquoi les masses d’air ne se déplacent pas directement vers le centre de la dépression ? Cela est dû à la force de Coriolis qui dévie les vents vers la droite dans l’hémisphère nord, et vers la gauche dans l’hémisphère sud.
Pour se faire une idée de la nature de cette force, il est possible de faire une petite expérience facile. Pour cela, il faut se mettre à table avec une feuille et un stylo. La première étape consiste à tracer un trait sur la feuille en partant du bas de la page et en visant un point en face de l’autre côté de la table. Le résultat est logiquement un trait rectiligne sur la page. La deuxième étape consiste à nouveau à tracer un trait en visant un point en face de l’autre côté de la table, mais en même temps, il faut faire tourner la feuille dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. Cette fois le trait n’est plus rectiligne, mais incurvé vers la droite, même si c’est le même point qui était visé que lors de la première étape.
Il ressort de cette expérience que la trajectoire effectuée par la pointe du stylo est différente selon le point de vue duquel on se place (on parle de référentiel) : rectiligne pour un observateur extérieur à la feuille, curviligne pour un observateur placé la feuille. Reportée à l’échelle de la planète, la force de Coriolis agit de même sur une parcelle d’air se dirigeant en ligne droite, par exemple de l’équateur vers le pôle nord. Rectiligne pour un observateur placé en orbite au-dessus du pôle, la trajectoire sera au contraire incurvée vers la droite pour un observateur terrestre. Il ne s’agit donc pas d’une force dans le sens de l’action d’un corps sur un autre, mais d’une pseudo-force ou d’un effet résultant du mouvement non linéaire du référentiel lui-même. Le terme Coriolis effect est d’ailleurs parfois utilisé en anglais.
La force de Coriolis agit sur tous les fluides en mouvement à la surface de la Terre, qu’il s’agisse des océans ou de l’atmosphère. Elle s’exerce perpendiculairement au mouvement des corps en déplacement, et est proportionnelle à leur vitesse ainsi qu’à la latitude. La force de Coriolis n’a en revanche aucune incidence sur la vitesse du fluide.
Comme expliqué ci-dessus, la force de Coriolis est intimement liée au mouvement rotatif de la Terre (en météorologie on parle de « vorticité »), or ce mouvement rotatif dépend essentiellement de la latitude à laquelle on se trouve ; nul à l’équateur, il augmente lorsqu’on se rapproche des pôles.
Si une personne se tient debout et fait un tour sur elle-même, elle donne une certaine vorticité à son corps. Celle-ci est maximale car l’axe de rotation se confond avec l’axe vertical du corps de la personne. Il n’est cependant pas nécessaire que les deux axes soient superposés, il suffit qu’ils soient parallèles pour que la vorticité soit maximale. Sur un carrousel par exemple, que l’on se trouve au bord ou au centre du carrousel, la vorticité est la même puisqu’on effectue un tour complet sur soit-même durant le même laps de temps (l’axe de rotation du carrousel est parallèle à l’axe vertical de notre corps) ; ce qui change en revanche, c’est la vitesse de déplacement autour de l’axe, de plus en plus grande au fur et à mesure qu’on s’éloigne du centre.
Mais la Terre n’est pas un carrousel (donc un disque), c’est une sphère et cela change tout. Si vous êtes au pôle, l’axe de rotation de la Terre est parallèle à l’axe vertical de votre corps. Si vous entamez un voyage en direction de l’équateur, l’axe de votre corps va insensiblement s’écarter de l’axe de rotation de la Terre, jusqu’à en être non plus parallèle mais perpendiculaire. A ce moment-là, votre vorticité sera égale à zéro. En effet, une personne debout sur l’équateur n’effectue qu’une translation autour du globe, mais pas l’ombre d’un tour sur elle-même. En d’autres termes, plus vous vous éloignez du pôle, plus vous tournez rapidement autour de l’axe de rotation, mais moins vous tournez sur vous-même. Et pour les masses d’air ? C’est exactement la même chose…
L’image ci-dessous montre la trajectoire d’une masse d’air en mouvement dans l’hémisphère nord à partir des quatre points cardinaux. La flèche bleue représente le gradient de pression, la flèche rouge la force de Coriolis et la flèche noire la trajectoire effective de la masse d’air. Au début du mouvement, seule la force du gradient de pression agit en poussant l’air de la haute vers la basse pression (B). Pour autant que l’on ne se trouve pas trop proche de l’équateur, la force de Coriolis va rapidement agir, s’exerçant perpendiculairement au mouvement et le déviant vers la droite (flèche rouge). Au fur et à mesure que le mouvement s’accélère, la force de Coriolis augmente, déviant de plus en plus la masse d’air vers la droite, alors que la force du gradient de pression demeure constante et pointe toujours vers le centre dépressionnaire. Au point d’équilibre, les deux forces agiront en sens contraire et seront de même valeur. A ce moment-là, le vent sera parallèle aux isobares (lignes de même pression) ; on dit de ce vent (plutôt théorique que réel) qu’il est géostrophique. Toutes choses étant égales par ailleurs, ce point d’équilibre pourrait demeurer indéfiniment en l’état, mais d’autres forces agissent également – en particulier la force de frottement – qui permettent à terme aux dépressions de se combler.
Ce bref descriptif montre que la force de Coriolis n’agit que sur des phénomènes de grande ampleur d’échelle planétaire et qu’il lui faut un certain temps pour donner sa pleine mesure. Cela exclut d’emblée les petites brises locales, le foehn, le joran, etc…, ainsi que le sens de rotation du tourbillon de vidange de votre baignoire. En revanche, les courants d’ouest des latitudes moyennes ou les alizés tropicaux – d’orientation nord-est – en sont directement tributaires.