Le vortex polaire est une zone de basse pression située en hiver au-dessus de la région arctique. Il est séparé en un vortex stratosphérique et un autre troposphérique et influence, par sa dynamique, le climat et la météo de notre région. Des évènements de réchauffement soudain au cœur de l’hiver peuvent parfois le déstructurer.
En météorologie, le vortex polaire est une vaste zone de basse pression stationnée de manière semi-permanente au-dessus du pôle Nord. Il est présent presque continuellement, mais surtout pendant la saison froide, et il s'agit d'une zone couvrant une très grande région, bien plus grande qu'une simple zone de basse pression. Les zones de basse pression au-dessus de l’Europe centrale peuvent avoir un diamètre de 1000 à 2000 km ou plus. Le vortex polaire couvre tout le cercle arctique avec un centre autour du pôle Nord et peut s’étendre également jusqu’aux latitudes moyennes.
Le vortex polaire est une structure qui se développe principalement dans la stratosphère, typiquement entre 12 et 50 km d'altitude et donc au-dessus de la troposphère (et de la tropopause) où se déroulent les principaux processus atmosphériques de la météorologie. Au-dessus de la région polaire, l'atmosphère est plus fine et la stratosphère commence déjà à 8 km. Toutefois, une circulation similaire, parfois couplée à la stratosphère, est également présente dans la troposphère où l’on parle de vortex troposphérique. On distingue donc le vortex stratosphérique du vortex troposphérique, qui affecte surtout les masses d'air plus proches du sol. En regardant la Terre d'en haut, exactement au-dessus du pôle Nord, on observe donc un mouvement circulaire des masses d'air dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, avec quelques ondulations, et non un véritable cercle parfait : moins les ondulations sont marquées, plus la forme est circulaire. Ces ondulations en météorologie sont aussi appelées ondes de Rossby. Un vortex similaire, nommé vortex antarctique, est également présent au-dessus du pôle Sud.
Le sens de rotation, donc dans le sens inverse des aiguilles d'une montre en ce qui nous concerne (dans le sens des aiguilles d'une montre dans l'hémisphère Sud, au pôle Sud), est déterminé par la force de Coriolis, c'est-à-dire la rotation de la Terre. Le vortex polaire stratosphérique résulte de l'effet des forts courants d'ouest qui naissent à haute altitude dans les latitudes moyennes. Ces courants résultent du déséquilibre provoqué par le réchauffement solaire différentiel entre les basses et les hautes latitudes et des contrastes thermiques qui en découlent, en particulier pendant la saison froide (refroidissement plus marqué dans les zones arctiques que dans les zones équatoriales). Ce sont ces vents qui déclenchent la rotation plus ou moins circulaire du tourbillon autour du pôle. Le vortex stratosphérique se renforce et s'étend en automne et s'affaiblit et se rétrécit à partir du printemps (en été, il est absent). Le vortex polaire stratosphérique a une forme beaucoup plus régulière que le vortex troposphérique. Il peut cependant y avoir des événements temporaires qui le brisent et pendant de courtes périodes (de quelques jours à quelques semaines au maximum), il n'est plus présent. Cela peut se produire non seulement dans sa phase la moins intense, mais aussi au milieu de l'hiver, au plus fort de son intensité. Il peut également arriver qu'en raison de la formation d'une zone de haute pression centrée sur le pôle, le tourbillon et son centre soient déplacés. Au cours du semestre d'été, le vortex polaire stratosphérique est souvent remplacé par l'anticyclone polaire d'été : le mouvement circulatoire change de direction et les vents stratosphériques viennent généralement de l'est.
Le vortex polaire troposphérique est également une zone de basse pression située au niveau du pôle. Ce vortex est souvent défini par la zone d’expansion des basses pressions entre 5000 et 9000 m d’altitude environ. Il s’entend généralement jusqu’aux latitudes 40 à 50° N et est donc plus étendu que le vortex stratosphérique. Il est également délimité par les courants d’ouest, mais a une structure moins compacte que le vortex stratosphérique. À une échelle d’un mois ou plus, le vortex troposphérique est souvent composé d’un ou deux centres, mais il peut être composé de plusieurs centres à une échelle journalière. En moyenne sur l’hiver boréal, le vortex est composé de deux centres : un proche de l’île de Baffin (Canada) et l’autre au-dessus du nord-est de la Sibérie. Contrairement au vortex polaire stratosphérique, il ne disparaît pas en été, mais est nettement moins marqué et étendu. Les courants d’ouest peuvent donc encore être présents, bien qu’ils soient moins intenses et beaucoup moins fréquents. Le vortex polaire troposphérique étant moins compact, il tend à onduler d’une manière parfois chaotique. Cela génère des changements de temps soudains aux latitudes moyennes. Bien que séparé par la tropopause, les deux vortex peuvent parfois interagir et se nourrir l'un l'autre.
Le vortex polaire troposphérique interagit à grande échelle avec les anticyclones subtropicaux, situés à des latitudes plus basses. En raison de la rotation de la Terre, les échanges de masses d'air entre l'équateur et le pôle ne sont pas directs, même à haute altitude. Les courants-jets des latitudes moyennes dévient ces flux, qui tentent de combler le déficit et le surplus d'énergie dans les régions polaires et équatoriales respectivement. Sans la rotation de la Terre, cet échange serait un flux direct sud-nord et la dynamique de l'atmosphère terrestre serait résolument différente de celle que nous connaissons aujourd'hui.
Plus la vitesse de rotation du vortex est grande (intensité des vents en altitude), plus ce dernier est intense et plus la probabilité d'irruptions d'air polaire troposphérique vers les latitudes moyennes (donc en Suisse), est faible. Dans ces cas, le courant-jet aux latitudes moyennes est rectiligne, avec peu d'ondulations. Les échanges d'énergie entre l'équateur et le pôle sont plus difficiles, et peu de perturbations bien organisées parviennent à "glisser" vers les latitudes moyennes. En revanche, un vortex polaire moins intense provoque un courant-jet moins fort et plus ondulé, des ondes qui favorisent les échanges d'énergie entre l'équateur et le pôle. Dans ce cas, la probabilité est plus grande que des zones de basse pression avec leurs fronts se forment et atteignent également les latitudes moyennes. En résumé, un vortex polaire troposphérique intense et bien formé, centré sur le pôle, entraîne des courants maritimes intenses et des courants d'ouest doux sur l'Europe, tandis qu'un vortex faible entraîne une plus grande variabilité des courants sur l'Europe et donc un plus grand risque de vagues de froid intenses. Si les vortex troposphériques et stratosphériques sont couplés, c’est-à-dire que les courants stratosphériques se propagent dans la troposphère, un vortex stratosphérique concentré et intense aura tendance à entraîner le vortex troposphérique avec lui, et donc à renforcer les courants d’ouest.
Il arrive parfois que la stratosphère au niveau du vortex polaire se réchauffe soudainement (jusqu’à 50 °C en l’espace de quelques jours). On parle alors de réchauffement soudain de la stratosphère. Ce réchauffement stratosphérique, appelé « sudden stratospheric warming » en anglais (ou parfois « stratwarming ») et abrégé SSW, suscite un certain intérêt par les conséquences qu'il peut engendrer (vagues de froid aux latitudes moyennes comme la Suisse). Lorsqu’un tel réchauffement se produit, il se forme alors une zone de haute pression dans la stratosphère, qui fragmente et divise le vortex polaire en deux ou plusieurs parties, qui sont alors déplacées du pôle vers des latitudes un peu plus basses. Cette dislocation du vortex polaire stratosphérique peut se propager dans la troposphère et également ralentir et perturber le courant d’ouest. Le vortex polaire troposphérique vers 5000 m d’altitude peut ainsi également se séparer en plusieurs parties (centres dépressionnaires) indépendantes les unes des autres appelées lobes.
Il faut noter toutefois que la circulation dans troposphère n’est pas toujours couplée à la stratosphère. Il est possible d’avoir un vortex stratosphérique puissant et un faible courant d’ouest dans la troposphère. À l’inverse, le réchauffement stratosphère ne se répercute pas toujours dans la troposphère.
C'est à partir des lobes que l'air froid d'origine polaire, voire arctique, est parfois canalisé à des latitudes plus basses comme sur l'Europe, l’Amérique du Nord ou l’Asie. Le positionnement des lobes est plutôt aléatoire, compte tenu également du mouvement chaotique de l'atmosphère, mais il faut considérer que les analyses climatologiques sur la fréquence du positionnement des lobes sont encore difficiles à réaliser en raison de l'absence d'une série d'observations suffisamment longue et homogène. Cependant, la position d'un lobe particulier est déterminante pour l'apparition ou non d'une vague de froid sur l'Europe. Sur notre continent, pour avoir des vagues de froid fortes et extrêmes, il faut que le lobe s'installe entre la Sibérie et l’Europe de l’Est, comme cela s'est déjà produit dans le passé avec des températures extrêmes en Europe et en Suisse, à haute comme à basse altitude. Avec un vortex polaire troposphérique déstructuré et donc un courant d’ouest plus faible qu’en moyenne, des dorsales anticycloniques peuvent s’étendre en direction de la Mer du Nord et de l’Atlantique. Ces conditions favorisent l’établissement d’un courant d’est du l’Europe qui peut entraîner de l’air froid des lobes depuis la Sibérie.
Le dernier événement notable de réchauffement stratosphérique qui a entraîné un afflux d’air froid sur l’Europe remonte à février 2018. Un important réchauffement de la stratosphère est survenu à la mi-février avec un scindement du vortex polaire stratosphérique en deux parties, une sur l’Europe de l’Ouest et l’autre sur Pacifique Nord.
Ce réchauffement stratosphérique s’est propagé plus bas et a déstructuré le vortex troposphérique avec un lobe placé dans une position favorable à un afflux d'air très froid sur l’Europe. Un courant orienté à l’est a entraîné de l’air sibérien jusqu’à l’Europe de l’Ouest.
Le phénomène reste toutefois assez limité dans le temps : en 2018, une dizaine de jours plus tard, le vortex polaire a repris de la vigueur et la vague de froid en Europe a laissé place à nouveau à des courants plus doux en provenance de l'ouest. Le réchauffement stratosphérique n'a pas toujours caractérisé les hivers froids du passé, notamment parce que le phénomène concerne une phase temporelle et géographique assez limitée. Des vagues de froids se produisent également sans épisode de SSW préalable.
La dynamique du vortex situé au-dessus du pôle Sud est similaire au vortex arctique, si ce n'est le courant tourne dans le sens des aiguilles d’une montre, comme toutes les zones de basse pression dans l’hémisphère Sud. Il est logiquement très rare que les deux tourbillons polaires, l'Arctique et l'Antarctique, soient présents et forts en même temps, puisque les saisons sont également inversées dans les deux hémisphères. Le vortex antarctique (qu’il soit stratosphérique ou troposphérique) présente généralement une forme plus régulière, avec une circulation un peu plus circulaire autour du pôle, qui a tendance à moins onduler. Cela s'explique par plusieurs raisons liées à la dynamique atmosphérique, notamment le fait qu'aux latitudes moyennes, la masse continentale est peu étendue. Le vortex polaire antarctique a tendance à moins s'éclater et les événements de réchauffement stratosphérique, bien qu'ils soient présents, sont moins étudiés et il y a encore beaucoup d'incertitudes sur le sujet.