LA DYNAMIQUE DES MASSES ATMOSPHERIQUES

Acquis des élèves

• L'inégale répartition de l'énergie solaire à la surface de la Terre.
• L'atmosphère : enveloppe gazeuse de la Terre : structure, composition chimique.
• Notions de physique sur la lumière  (rayonnements visible et infrarouge) et sur l'état gazeux (comportement d'un gaz et pression).

Objectif de l'exercice proposé

L'étude du bilan radiatif de la Terre montre la répartition inégale de l'énergie solaire à la surface de la Terre. 
L'exercice présenté ici a pour objectif de montrer :

• comment l'énergie solaire est redistribuée à la surface de la Terre grâce aux mouvements de l'atmosphère (transport d'énergie thermique),
• comment des différences de température peuvent être un moteur pour la circulation de l'atmosphère .

Problèmes abordés

Problème 1 : Comment observer les mouvements de l'atmosphère ?
 

• L'élève consulte des images météorologiques du satellite Météosat 7 (infrarouge et visible) et repère la répartition des masses nuageuses à l'échelle du globe (Europe et Afrique). 
• L'élève consulte des animations réalisées à partir d'images satellitales. Il repère le déplacement des nuages et donc les principales directions des vents à l'échelle globale. Il observe ainsi les vents d'Est (Alizé) dans la ceinture intertropicale, le déplacement des masses d'air des tropiques vers les hautes latitudes et enfin, le mouvement tourbillonnaire de l'air dans les moyennes latitudes (déplacement incessant des anticyclones et des dépressions). Il complète une carte (à imprimer).

Il s'agit donc d'une première approche de l'étude de la circulation générale de l'atmosphère. Tout en restant incomplète, cette approche permet cependant de montrer qu'il y a transfert d'air et donc transfert de chaleur de la zone équatoriale vers les hautes latitudes, et inversement pour l'air froid. 

Accès au corrigé du problème 1

Problème 2 : Quelles sont les forces qui mettent l'atmosphère en  mouvement ?
 

• L'élève observe une animation météorologique et une carte des vents. 
• La comparaison des cartes du vent et de la pression atmosphérique montre une corrélation entre ces deux paramètres. Les variations de pression atmosphérique sont à l'origine des vents, à la surface de la Terre. 
• A ce stade, le professeur doit intervenir pour préciser le rôle de la pression et celui de la force de Coriolis.  En effet, l'air se déplace des zones de haute pression vers les zones de basse pression, mais ce mouvement est dévié par la force de Coriolis (déviation vers la droite dans l'hémisphère nord). 
• L'élève est maintenant confronté à un autre problème. Comment expliquer les variations de pression atmosphérique à la surface de la Terre ? A partir de la lecture de bulletins météorologiques, l'élève observe que les zones de dépression sont des zones de mauvais temps. Les nuages se trouvent donc au-dessus des dépressions. 
• L'élève réalise une expérience analogique montrant que la formation des nuages est liée à un mouvement ascendant de l'air et à son refroidissement. Les zones de dépression sont donc le siège d'un déplacement vertical de l'atmosphère (ascendance), responsable de la formation des nuages. C'est ce mouvement ascendant qui est à l'origine de la formation d'une dépression.
• Quelle est le moteur des mouvements verticaux de l'atmosphère ? Une autre expérience analogique montre qu'un réchauffement de l'air entraîne sa dilatation. Lorsque l'air devient moins dense, il s'élève. Les mouvements verticaux de l'atmosphère sont donc créés par des différences de température.
• La synthèse de ces observations indiquent que les variations de pression atmosphérique à la surface de la Terre sont crées par les mouvements verticaux de l'atmosphère, eux-mêmes créés par des variations de température. Et les variations de température sont liées à la répartition inégale de l'énergie solaire à la surface de la Terre. Des documents sur la zone équatoriale permettent de mettre ce raisonnement en application.

A l'issu de cet exercice , le professeur peut expliquer et justifier un modèle simple de circulation générale de l'atmosphère.

Accès au corrigé du problème 2

Source des documents

Météo France 
http://www.meteo.fr/meteonet
On peut consulter les bulletins météorologiques, ainsi que la rubrique "activités", "mer"  "large"  ou "grand large" qui fournissent des cartes de pression atmosphérique et de vents. De nombreux dossiers pédagogiques sont disponibles.

Le service météorologique de Dundee (Grande Bretagne)
http://www.sat.dundee.ac.uk/auth.html 
Ce sites fournit de nombreuses images des satellites météorologiques. Les archives sont importantes et permettent de créer des animations.

Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies (cimss)
Space Science ans Engineering Center (ssec)
University of Wisconsin-Madison
http://cimss.ssec.wisc.edu/tropic/real-time/europe/winds/winds.html
Ce site fournit des images satellitales en temps réel de l'Europe et du globe. Il fournit les images montrant en superposition l'image satellitale et la direction et la force du vent.