Ceux qui s’intéressent – même de loin – à la météorologie ont déjà entendu parler de la force de Coriolis, du nom d’un savant français du XIXème siècle qui l’a formalisée mathématiquement. Il faut cependant se pencher assez avant sur son mécanisme pour comprendre réellement son impact – réel et important – sur la circulation générale de l’atmosphère et mettre à mal quelques croyances populaires erronées à son sujet. Allons-y !
L’image ci-dessus montre un centre dépressionnaire au large de l’Islande. La nébulosité aspirée vers le centre décrit un mouvement de rotation dans le sens inverse des aiguilles d’une montre car les vents sont déviés vers la droite dans l’hémisphère nord.
A contrario, dans l’hémisphère sud les vents sont déviés vers la gauche. Ainsi, le sens de rotation de cette dépression située au large du Chili (image ci-dessus) se fait dans le sens des aiguilles d’une montre. La force responsable de cette déviation des vents est précisément la force de Coriolis.
Comme nous l’avons vu souvent au fil des différents blogs, le vent n’est rien d’autre qu’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. Or il n’en est rien ! 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. Mais pourquoi diable les masses d’air rechignent-elles à se ruer 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 », commençons par une petite expérience facile : mettez-vous à votre table de travail avec une feuille A4 et un stylo. Tracez ensuite un trait sur la feuille, en partant du bas de la page et en visant un point en face de vous de l’autre côté de la table (une chaise par exemple) ; comme vous pouvez le constater, vous venez de tracer un trait rectiligne sur votre page. Recommencez maintenant la même expérience (toujours en visant la chaise en face de vous), mais pendant que vous tracez votre trait, imprimez à votre page un mouvement de rotation dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. Cette fois le trait n’est plus rectiligne, mais incurvé vers la droite, et ce alors même que vous avez visé le même point qu’auparavant et tiré un trait droit en direction de la chaise.
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 (vous en l’occurrence), curviligne pour un observateur placé SUR 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. De ce point de vue-là, la force de Coriolis n’est pas à proprement parler un « force » (action d’un objet sur un autre), mais plutôt un « effet » ; en anglais on parle parfois de « Coriolis effect ».
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 on l’a vu, la force de Coriolis est intimement lié 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. Et voici pourquoi !
Si, debout dans votre pièce, vous faites un tour sur vous-même, vous donnez à votre corps une certaine vorticité. Cette dernière est maximale car l’axe de rotation se confond avec l’axe vertical de votre corps. 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 vous soyez au centre du carrousel ou sur son bord, la vorticité est la même puisque vous effectuez un tour complet sur vous-même durant le même laps de temps (l’axe de rotation du carrousel est parallèle à l’axe vertical de votre 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 que vous vous éloignez 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…
Pour un observateur placé au-dessus du pôle nord, la rotation de la Terre se fait dans le sens contraire des aiguilles d’une montre. Pour un observateur placé au-dessus du pôle sud, c’est l’inverse et la Terre tourne dans le sens des aiguilles d’une montre. De ces deux points de vue, la surface terrestre apparaît donc comme une sorte de table ronde, tournant dans des sens différents. Evidemment, les deux hémisphères tournent à l’unisson, mais le référentiel change. Pour vous en convaincre, faite tourner une simple tasse entre vos mains et regarder dans quel sens tourne l’anse lorsque vous l’observez par en dessus ou par en dessous. Alors, convaincu ?
Pour résumer, la force de Coriolis est très marquée au pôle nord, diminue progressivement en direction de l’équateur où elle devient nulle, puis change de sens et augmente à nouveau en direction du pôle sud.
L’image ci-dessus 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.
Plusieurs expériences concernant la force de Coriolis sont disponibles sur Internet, en particulier celle-ci (National Geographic) très parlante.
Voilà, c’est tout pour aujourd’hui ! Espérons que cet article ne vous aura pas trop fait tourner la tête.