Force de Coriolis et cyclones(1)

ACTUALITÉS
PÉDAGOGIQUES
1497
OLYMPIADES DE PHYSIQUE – OLYMPIADES DE PHYSIQUE – OLYM
Force de Coriolis et cyclones (1)
LYCÉE
Lycée International - 01206 Ferney-Voltaire (Lyon)
PARTICIPANTS
Professeurs
Marie MARCHAL et Emmanuelle CADAS.
Élèves
Juan FAYMANN, Julian FROT, André KOSTRO, Sébastien LOUIS et Sean O’LEARY.
Partenaires
Centre Météorologique de l’Aéroport de Genève et Philippe CARDIN, chercheur au Laboratoire de Géophysique Interne de l’université Joseph Fourier (Grenoble I).
PRÉSENTATION DU SUJET
Nous avons voulu expliquer les phénomènes physiques à l’origine de la formation
des cyclones tropicaux : pourquoi apparaissent-ils toujours dans les mêmes régions du
globe ? Comment expliquer leur enroulement caractéristique autour d’un « œil » ?
La force physique provoquant cet enroulement est appelée force de Coriolis, elle
apparaît lorsqu’un « objet » est en mouvement à la surface du globe, lui-même en rotation autour de l’axe des pôles. Cette force provoque une déviation de l’« objet » perpendiculairement à son mouvement, vers sa droite.
Nous avons imaginé quelques expériences afin de montrer les différentes trajectoires
suivies par l’« objet » selon le lieu de l’observation. Puis nous avons montré le rôle essentiel joué par cette force dans la plupart des événements météorologiques courants et en
particulier dans l’apparition des cyclones.
(1)
Nous continuons dans ce numéro la publication des résumés des travaux présentés au concours des olympiades de physique 2000 (voir BUP n° 831 - février 2001).
Vol. 95 - Octobre 2001
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BULLETIN
DE
L’UNION
DES
PHYSICIENS
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MISE EN ŒUVRE DU PROJET
Le premier objectif a été de comprendre ce qu’est la force de Coriolis. Pour ce faire,
nous avons essayé d’observer le trajet suivi par un « objet » en nous plaçant dans deux
référentiels différents : celui du laboratoire et un référentiel tournant constitué par un plateau en rotation sur lequel nous avons posé une caméra. Celle-ci filmait le déplacement
de l’objet.
Figure 1
Dans le référentiel du laboratoire, l’objet est en mouvement rectiligne uniforme,
mais dans le référentiel tournant, la caméra nous montre une trajectoire curviligne. Pour
expliquer cette différence de trajectoire, il faut introduire une nouvelle force « fictive »,
dans le référentiel tournant, appelée force de Coriolis : Fc = 2mvr / ~.
L’opérateur mathématique / (produit vectoriel) implique que cette force agit perpendiculairement à la vitesse de l’objet, le déviant donc vers la droite du mouvement initial. Sur Terre, le sens de déviation due à la force de Coriolis dépend de l’hémisphère
dans lequel le mouvement a lieu, selon le schéma (cf. figure 2).
Figure 2
Force de Coriolis et cyclones
BUP no 837
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Nous avons ensuite cherché à comprendre l’influence de cette force de Coriolis sur
les masses d’air atmosphérique. Il faut pour cela rappeler ses principaux mouvements
dont les conséquences en zone tempérée sont les anticyclones et les dépressions.
Les mouvements de l’air sont essentiellement régis par les variations de pression et
de température existant dans l’atmosphère : ainsi, les anticyclones correspondent à des
zones de hautes pressions, dans lesquelles l’air a un mouvement descendant et divergent.
Inversement, les dépressions sont des zones de basses pressions, où l’air a un mouvement
ascendant et convergent.
Figure 3 : Flux d’air dans une dépression.
Figure 4 : Flux d’air dans un anticyclone.
La Terre étant en rotation, ces masses d’air subissent une force de Coriolis, en plus
de leurs mouvements verticaux. Ainsi, dans l’hémisphère Nord, la force de Coriolis agissant vers la droite du mouvement initial, les anticyclones et dépressions vont s’enrouler
autour de leur centre, respectivement dans le sens horaire pour les uns et anti-horaire pour
les autres. En revanche, ces mouvements sont inversés dans l’hémisphère Sud, où la force
de Coriolis agit en sens inverse.
Figure 5 : Vues en coupe et de dessus
d’un anticyclone.
Figure 6 : Vues en coupe et de dessus
d’un dépression.
Toutes les masses d’air étant soumises à ces mouvements, les cyclones tropicaux
sont aussi concernés.
La formation d’un cyclone tropical est liée aux conditions particulières régnant auVol. 95 - Octobre 2001
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DE
L’UNION
DES
PHYSICIENS
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dessus des océans chauds : l’association de l’humidité et de la température élevée provoque une forte évaporation et donc le creusement d’une dépression (l’air chaud et
humide monte dans l’atmosphère). Le refroidissement de la vapeur d’eau lors de cette
montée provoque une forte condensation et donc une brusque libération de chaleur
latente, qui fournit au cyclone son énergie. Un cycle convectif s’établit verticalement par
la redescente de l’air condensé et refroidi.
Figure 7
Figure 8
La force de Coriolis agit alors pour
provoquer l’enroulement du cyclone autour
de son centre, et le creusement de l’œil du
cyclone, zone de calme et de relatif beau
temps. Cette force n’existant pas au niveau
de l’Équateur, les cyclones se forment à une
latitude de quelques degrés.
Figure 9
Force de Coriolis et cyclones
La principale différence entre un
cyclone et une dépression de la zone tempérée tient essentiellement au mode de production de l’énergie de ces masses d’air :
dans une dépression « classique », c’est la
confrontation des masses d’air chaud et
froid sur les zones de front qui provoque les
vents et précipitations. Pour un cyclone,
l’énergie est fournie sur une échelle beauBUP no 837
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coup moins grande et par une libération de chaleur latente brutale. Elle sera d’autant plus
grande que l’écart de température entre l’eau de l’océan et le sommet du cyclone est
grande.
Enfin, les cyclones se déplacent sous l’effet des grands courants atmosphériques, en
particulier les alizés équatoriaux selon des trajectoires difficilement prévisibles mais
généralement hyperboliques. Ils meurent assez rapidement lorsqu’ils pénètrent sur les
terres ou au-dessus d’océans trop froids pour fournir une condensation suffisante à leur
entretien.
On peut pour finir modéliser l’aspiration caractéristique qui a lieu au centre d’un
cyclone, grâce aux mouvements d’un fluide soumis à une rotation en surface. Lors des
phases transitoires, le fluide n’a pas une vitesse de rotation homogène et l’on observe les
mouvements de petits grains de semoule plongés dans le liquide ils se regroupent vers le
centre du bocal, au fond et sont aspirés au centre du fluide, dans un mouvement ascendant. Ce phénomène est lié à la différence de vitesses entre le fond et la surface du
fluide : plus la vitesse est grande, plus la surpression exercée sur les parois par le fluide
est forte. Cette surpression provoque une circulation du fluide du haut vers le bas le long
des parois, et une convergence au fond du récipient.
Figure 10
Figure 11
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