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Chaleur Latente

• Chaleur Latente
  

  Comme le dis le vieux adage "Rien ne se perd, rien ne se créé, tout se transforme". La chaleur latente est une quantité d'énergie sous forme de chaleur qui se calcule lors des changements de phase de la matière (l'eau en l'occurence en météorologie). C'est à dire lorsqu'on passe d'un état liquide à un état gazeux (ou solide) et vice versa.

  Changement de Phase de l'Eau :

  Lorsqu'il y a condensation de l'eau (gaz --> liquide), c'est qu'une quantité d'énergie du système a été cédé à l’environnement. Lorsqu'il y a évaporation de l'eau (liquide --> gaz), c'est qu'une quantité d'énergie a été ajouté à celle-ci en la puisant dans l’environnement. Cette quantité d'énergie est ce qu'on appelle la chaleur latente. Ainsi la chaleur latente emmagasinée dans la vapeur d'eau d'une parcelle d'air, se libère dans l'air environnant, lorsque la condensation en gouttelette d'eau forme le nuage.

  Transport de Chaleur :

  Ce transport de la chaleur intervient dans de nombreux domaines météorologiques. Il contribue notamment à l'auto-entretien d'une instabilité au sein d'un nuage. En effet, une fois l'apport de chaleur initial enclenché, la transformation de l'eau en gouttelettes de nuage (condensation) provoque une libération de chaleur latente qui contribue à accentuer encore l'air chaud local, l'instabilité, la convection et donc le développement vertical du nuage (ascendance).

  Auto-Entretien

  Ce mécanisme d'auto-alimentation de l'ascendance grâce au changement de phase de l'eau explique qu'une convection enclenchée même dans un environnement moyennement instable (instabilité conditionnelle) puisse tout de même perdurer et continuer localement à être instable. La libération de la chaleur latente suffit à elle seule, à expliquer qu'une ascendance convective puisse parfois percer tout une couche d'atmosphère stable.

  Liens en relation :

  Ascendance - Convection - Instabilité - Température

Convection

• Convection
  

  La convection est un transport de matière via les déséquilibres thermiques. Lorsqu'on parle d'un fluide, il y a maintien des propriétés de ses parcelles, au cours de son déplacement (Température par exemple dans notre cas). Ainsi d'un point de vue thermodynamique, elle se définie comme étant un transfert d'énergie à l'échelle atomique par déplacement de la matière au sein du milieu.

  Mouvement Vertical :

  En météorologie, on applique souvent la convection lorsqu'on parle de mouvements verticaux de l'air. Un courant ascendant et descendant forment une boucle convective. Dans ce cas, la convection constitue un mode d'échange de chaleur (chaleur sensible et chaleur latente ), entre un air chaud ascendant et un air froid descendant et provoqué par l'instabilité de la masse d'air. D'abord une phase chaude ascendante avec condensation du nuage (dans un air instable), puis une phase froide descendante avec dissipation du nuage (dans un air stable ou instable).

  Voir cette Simulation de la Convection du Laboratoire de Science à l'Université Nationale de Kangwon en Sud-Corée (en Java).

  Système Convectif :

  Tous les orages fonctionnent avec le principe de la convection. Les orages sont donc des systèmes convectifs qui alternent toujours dans leur cycle de vie avec les 2 phases (ascendante-descendante), ces deux mouvements pouvant cohabiter, voire se renforcer mutuellement, dans les systèmes convectifs organisés. Mais un système convectif peut très bien désigner, aussi bien le petit cumulonimbus d'à peine 1 kilomètre de large, qu'un énorme orage multicellulaire de plus de 500km de large. En effet, un système convectif est toujours composé d'une ou de plusieurs cellules convectives. Sur le schéma ci-dessus, nous pouvons ainsi voir 1 système convectif composé de 4, voir 5 cellules convectives.

  Liens en relation :

  Ascendance - Instabilité - Chaleur Latente - Température

Coriolis

• Force de Coriolis
  

  On connait presque tous les effets de la Force Coriolis : Une déviation vers la droite dans l'hémisphère Nord et une déviation vers la gauche dans l'hémisphère Sud. C'est un élément essentiel dans les processus météorologiques de grandes échelles (synoptique) et leurs mouvements. En revanche comprendre ce qu'est vraiment Coriolis et pourquoi il y a une telle déviation, est beaucoup plus compliqué à se représenter. Après l'énoncé "obscure" de sa définition générale, je vais tenté de vous l'expliquer pas à pas.

  Coriolis : Définition Générale

  L'accélération de tout corps en mouvement relatif par rapport à un repère en rotation, comporte un terme proportionnel à la vitesse relative, terme qui n’existe pas dans le cas d’un repère inertiel. En multipliant cette accélération par la masse, on obtient une force d'inertie dite de Coriolis. Cette force est perpendiculaire à la vitesse et a donc pour effet d’imprimer au corps une trajectoire courbe par rapport au repère en rotation, alors que la trajectoire aurait été rectiligne dans le cas d’un repère galiléen. Stricto-sensu, on ne devrait pas dire "Force de Coriolis", mais "Effet Coriolis" car il s'agit d'une pseudo-force liée uniquement au référentiel, contrairement aux forces réelles comme la force de gravitation ou nucléaire.

  Principe d'Inertie et Repère Galiléen

  Le principe d'inertie dit que dans un Référentiel Galiléen, tout corps en mouvement rectiligne uniforme (vitesse et direction constante) ou au repos, et qui n'est soumis à aucune force (ou à des forces qui se compensent) gardera indéfiniment ce même état. En effet, une sonde lancée de la Terre vers l'extérieur du système solaire n'est pratiquement soumise à aucune force, et elle continue sa course en ligne droite à vitesse constante à l'infini, tant qu'aucune force ne vient contrecarrer son inertie.

  Force d'Inertie et Repère Non-Galiléen

  Tout référentiel en mouvement accélléré ou en rotation est un référentiel non-Galiléen. La Terre, qui est soumise à l'accélération de la gravité (pesanteur) et à la rotation sur elle-même est donc un référentiel non-inertiel (= non-Galiléen) et le principe d'inertie ne peut s'y appliquer qu'en rajoutant de façon apparente une force d'inertie qui s'oppose à l'accélération du référentiel lui-même. En effet, lorsque vous conduisez une voiture qui accéllère, une force d'inertie s'oppose à votre accélération en vous poussant vers l'arrière. Lorsque vous freinez brutalement, vous subissez une force vous poussant vers l'avant. Il s'agit d'une force fictive uniquement lié au référentiel, appellé force d'inertie. Cette force est proportionnelle à la masse et à l'accélération.

  Force Centrifuge

  La Force Centrifuge est un cas particulier de la force d'Inertie pour le cas des référentiels en rotation. Tout corps situé dans un référentiel en rotation subi une force compensatrice d'inertie qui éloigne ce corps du centre de rotation. En effet, lorsque vous conduisez une voiture qui prend un virage, une force d'inertie centrifuge vous pousse vers l'extérieur du virage. Sans la force centrifuge toutes les planètes, attiré par la force de gravitation, finiraient par s'écraser sur le Soleil, de même pour les satellites naturels ou artificiels qui tournent autour de la planète. Sur Terre, la force centrifuge est très faible par rapport à la force de gravitation et heureusement sinon rien ne tiendrait au sol et nous serions tous ejectés dans l'Espace. La Force Centrifuge est nul aux pôles et maximum à l'équateur, ce qui explique pourquoi la plupart des stations spatiales préferent décoller leurs fusées le plus près possible de l'Equateur. Au niveau météorologique, la force centrifuge favorise le maintien des ascendances dépressionnaires situés sur l'Equateur, mais elle reste malgré tout négligeable dans le processus.

  Coriolis : Référentiels en Rotation

  La Force de Coriolis est également une force fictive d'Inertie pour le cas des référentiels en rotation, mais contrairement à la force centrifuge, rien ne peut y échapper en météorologie, mais elle est aussi plus difficle à expliquer. La force centrifuge est la force d'inertie d'un point statique situé à la périphérie d'un cercle en rotation, alors que la force de coriolis est la force d'inertie d'un mouvement (vitesse) à l'intérieur d'un disque en rotation, elles sont donc différentes car il y a une dimension (cercle - disque) et une notion de mouvement suplémentaire.

  Coriolis : Référentiel Galiléen / Non-Galiléen

  Nous ne nous rendons pas compte que la Terre tourne sur elle-même car nous tournons avec elle, de notre point de vue le référentiel terrestre est statique, c'est à dire presque Galiléen, "et pourtant elle tourne" (sic procès de Galilée). Pour comprendre la force de Coriolis il faut donc comparer le mouvement d'un corps dans un repère Galiléen (référentiel fixe) et ce même mouvement dans un repère non-Galiléen (référentiel en rotation). Nous prendrons donc comme comparaison, le mouvement d'un corps vu depuis la surface de la Terre (en rotation et qui ne voit pas la Terre tourner) et vu depuis l'extérieur de la Terre (un point fixe qui voit la Terre tourner). Ce qu'il faut tout d'abord savoir, c'est que de notre point de vue sur Terre (en rotation) tout corps en mouvement subi la Force de Coriolis, alors que ce même mouvement vue depuis l'extérieur de la Terre (fixe) ne semble absolument pas subir la Force de Coriolis. Voilà bien un mystère que je vais tenté de vous expliquer.

  Coriolis : Explication

  Imaginez que vous disposiez d'un grand canon sur le Pôle Nord et que vous y lanciez un obus en direction de l'Equateur. Vous suivez avec une caméra situé sur l'obus son parcours à travers les airs. Du point de vue de l'obus, vous aurez toujours l'impression d'aller tout droit et effectivement l'obus ne change pas de direction, il va toujours tout droit pour lui. De même un observateur par exemple situé dans l'Espace et qui reste statique par rapport à la rotation de la Terre, verra également un obus qui va tout droit de façon totalement indépendante de la rotation de la Terre, comme décrit dans le principe d'inertie d'un repère Galiléen. Mais pour vous situé sur le Pôle, ainsi que pour tout autre observateur situé sur la surface de la Terre, vous verrez une déviation de l'obus en direction de la droite, car la Terre tourne pendant que l'obus va tout droit, de votre point de vue en rotation, vous vous êtes donc éloigné de façon fictive de l'endroit où vous aviez lancé votre obus. Il y a donc bien une déviation vers la droite de l'obus par rapport à la surface de la Terre et il n'atteindra certeinement pas sa cible si vous n'avez pas pris en compte la force de Coriolis lorsque vous l'avez lancé. Effectivement dans un repère en rotation, alors qu'il a une direction uniforme et rectiligne, l'obus se dévie constament dans le sens opposé de rotation de la Terre. Du point de vue de l'obus ou de l'espace, c'est la Terre qui a tourné sous l'obus. Essayez par exemple de marcher droit au-dessus d'un long cylindre qui tourne sur lui-même, vous serez obligé de marcher en biais sur le cylindre pour continuer d'avancer tout droit. Remplacez le cylindre par une sphère, la déviation n'est plus une diagonale en biais mais une courbe, c'est l'Effet Coriolis.

  Coriolis : Simulation

  Voici quelques animations pour vous aider à mieux comprendre :
  - Vidéo du Tourniquet 1 (Youtube)
  - Vidéo du Tourniquet 2 (Youtube)
  - Simulation JAVA de la Force Coriolis 1 (NTNU Physics Laboratory)
  - Simulation JAVA de la Force Coriolis 2 (Cleon Teunissen - Physlet)
  - Simulation JAVA d'un Mouvement Relatif dans un Manège (Université du Maine)
  - Simulation JAVA du Pendule de Foucault (Université du Maine)
  - Simulation JAVA d'une Onde Inertielle (Cleon Teunissen - EJS)

  Coriolis : Equateur / Pôles

  Plus la vitesse de rotation du référentiel est forte, plus la force de Coriolis est forte, mais pour la Terre cette vitesse ne change pas. Plus la vitesse du corps en mouvement est forte, plus Coriolis est faible. Un Corps lancé à très grande vitesse ne subira qu'une déviation faible. La Force de Coriolis est nulle à l'Equateur car la différence entre la vitesse de rotation de la Terre et la vitesse d'un point fixe en rotation sur l'Equateur est la même, ce qui explique qu'à l'équateur seule le gradient de pression créé du vent. A mesure qu'on se rapproche des Pôles, le cercle de rotation d'un point fixe devient plus petit pour faire le tour de la Terre et notre vitesse apparente pour tourner autour de la Terre devient donc de plus en plus faible par rapport à la rotation de la Terre sur elle-même qui elle ne change pas, la différence de vitesse augmente donc, la Force de Coriolis augmente aussi. Plus vous vous rapprochez des pôles, plus la différence entre la vitesse réelle à laquelle vous parcourez le tour de la Terre (qui devient plus faible) et la vitesse réelle de rotation de la Terre (invariable), devient élevée, aussi plus l'angle de déviation dû à la force de Coriolis devient élevé, vous faisant faire des cercles de plus en plus petits, jusqu'à devenir maximal aux pôles, point fixe tournant sur lui-même, ce qui explique le vortex polaire semi-permanent au-dessus des pôles. Une particule d'air en suspension dans l'air et attiré par la force du gradient de pression va donc tout naturellement être de plus en plus déviée de sa trajectoire par la Force de Coriolis, jusqu'à atteindre le point d'équilibre géostrophique.

  Vent Géostrophique

  Il arrive un moment où la Force de Coriolis dévie suffisament la particule d'air pour que cette force finisse par s'opposer completement à la force du gradient de pression. On dit que ce vent résultant de la force de Coriolis et de la force de pression est en équilibre géostrophique car les deux forces s'annulant, il n'est plus soumis à aucune des deux forces. Le vent ne dévie alors plus de sa trajectoire et garde uniformément un mouvement perpendiculaire aux deux forces en équilibre. Un vent géostrophique a donc un mouvement rectiligne uniforme parallèle aux isobares. Mais le gradient de pression sur la Terre lui n'est pas uniforme, les particules d'airs sont attirés de tous les cotés vers les basses pressions. Le vent géostrophique en équilibre entre les 2 forces suit ces isobares courbes également. En raison de la rotation de l'air circulaire autour du centre dépressionnaire ou anticyclonique, s'ajoute alors une force centrifuge (ou « force d'inertie d'entraînement »), le vent géostrophique devient donc circulaire dans le sens cyclonique autour des dépressions et anti-cyclonique autour des hautes pressions.

  Force de Friction

  Ce schéma d'un vent géostrophique uniformément circulaire et parrallèle aux isobares est beaucoup plus valable aux hautes altitudes qu'à la surface terrestre, car au sol le vent est soumis en plus aux forces de friction qui ralentissent le vent. Comme la force de Coriolis est dépendante de la vitesse, si la vitesse diminue en raison des forces de frottement avec le relief terrestre ou les océans, alors la force de Coriolis diminue également. Les forces de pressions deviennent donc plus forte que la force de Coriolis et le vent perd son équilibre géostrophique en déviant vers le centre de la dépression ou vers l'extérieur des anticyclones, ce qui nous donne en définitive ce mouvement de tourbillon si caractéristique à nos cyclones et dépressions.

  Coriolis : La Légénde du Lavabo et de la Tornade

  Contrairement à une légende urbaine très répandu, lorsque vous videz votre lavabo, le tourbillon d'eau qui se forme parfois au-dessus du syphon, n'a strictement rien à voir avec la Force de Coriolis. Je sais, vous avez du mal à me croire, tant ce mythe est ancré dans le folklore. Pourtant il est plus que prouvé par l'expérience, que statistiquement vous avez autant de chance de voir apparaitre un tourbillon cyclonique, anticyclonique ou pas de tourbillon du tout. Il faut savoir que les fabriquants de lavabo, pour des raisons humoristiques ou marketing ont plus que favorisé cette légende, car c'est avant tout la forme de votre lavabo qui va influencer le sens de rotation du tourbillon, non Coriolis. La moindre irrégularité imprimera un sens de rotation qui s'amplifiera. En fait, il faudrait un lavabo de la taille d'une ville, pour qu'on commence à voir les effets de la Force de Coriolis dans sa rotation. Il y a effectivement un énorme problème d'échelle, car la Force de Coriolis issue de la rotation terrestre, n'a d'effet que pour les échelles synoptiques (de l'ordre du millier de kilomètres) et ne commence à se resentir que légerement dans les échelles méso (centaine de kilomètres). Aussi, on observe autant de tourbillons de poussières (dustdevil) cycloniques que anticycloniques que vous soyez dans l'hémisphère nord ou sud. Le cas des tornades est un peu différent, car on observe cependant plus de tornades tournant vers la droite dans l'hémisphère nord (et vers la gauche au sud), mais Coriolis n'y est directement pour rien non plus. En revanche vu que Coriolis influence le cisaillement des vents, donc les systèmes orageux dont les tornades sont issus, il est normal d'observer cette différence, mais on aura cependant toujours une proportion des tornades tournant dans le sens contraire. La relation de cause à effet direct entre les tornades et Coriolis peut donc également être totalement oublié.

  Coriolis : Composante Verticale

  L'atmopshère n'est pas une surface plane, elle possède de l'épaisseur. Ce qui est donc vrai à l'horizontal, l'est aussi à la verticale. Vers 10km d'altitude dans la haute troposphère une particule d'air est plus éloigné de l'axe de rotation de la Terre qu'à la surface. A cette altitude la vitesse de rotation est donc plus importante. Ainsi de la même façon, la force de Coriolis va agir pour une particule qui monterait ou descendrait. Pour une particule tombante, la vitesse d'entrainement étant plus importante à son point de départ qu'à son arrivée, elle va dévier dans le sens de rotation, donc vers l'Est (la Terre tournant vers l'Est). Une particule ascendante déviera dans le sens opposé, donc en direction de l'Ouest. Pour les mêmes raisons, une particule qui se dirige vers l'horizon Est, montera légerement et une particule visant l'horizon dans le sens opposé de rotation de la Terre vers l'Ouest, descendra un peu. Pour ces deux derniers déplacements Est-Ouest faisant monter ou descendre une parcelle d'air, on appelle cela l'effet Eötvös, du nom de la personne qui passa sa vie entière à démontrer expérimentalement cette déviation verticale. Ces 4 composantes verticales de Coriolis sont cependant très faible en raison de l'épaisseur faible de l'atmsophère et en ce qui nous concerne particulierement en météorologie, de l'épaisseur encore plus faible de la troposphère. A la latitude de Paris par exemple, une balle jetée de 10 000 m d'altitude n'aura subie qu'une déviation vers l'Est de 2.5 m environ à la surface.

  Moment Cinétique

  Le moment cinétique est la quantité de mouvement angulaire lors d'une rotation. On considere que cette quantité de mouvement de rotation se conserve en l'absence de force extérieure au système. La force de Coriolis est due à la conservation de ce moment cinétique. Il est parfois compliqué de calculer l'effet Coriolis, mais dans le cas d'un repère galiléen, il est souvent plus simple de passer par le moment cinétique pour trouver le même résultat qu'avec Coriolis, par exemple pour le calcul d'un tir balistique. On peut comprendre facilement le phénomène du moment cinétique lorsque l'on considère la rotation d'un patineur qui commence à tourner avec les bras écartés et les bras fermés. Lorsqu'il tend les bras écartés, il change la distribution de sa masse, donc son moment d'inertie (l'équivalent pour la masse du moment cinétique est le moment d'inertie). Bras tendus, la masse des bras est plus éloignée de l’axe de rotation, augmentant ainsi le moment d’inertie. Pour garder le principe de conservation du moment cinétique, la vitesse de rotation du patineur doit donc aussi changer.

  Force Centripète (Centrifuge)

  Une force à effet centripète (ou force centripète) est dite de toute force (ou combinaison de forces) dirigé vers l'intérieur de l'axe de rotation, permettant de maintenir un corps dans une trajectoire circulaire (ou elliptique). Sur Terre, la force centripète est tout simplement la force gravitationelle dirigé vers le centre de rotation de la Terre. On la confond souvent avec la force centrifuge, car elles ont la même formule et sont de sens strictement opposés. Mais la force centrifuge est une force d'inertie qui n'intervient que dans un repère non-galiléen. En effet, lorsque vous observez un manège de petits chevaux depuis l'extérieur (répère galiléen), le mouvement de rotation observable d'un cheval s'explique par la force centripète seule, qui permet de décrire ce mouvement circulaire uniforme. Lorsque vous êtes situé à l'intérieur du manége (repère non-galiléen), l'immobilité apparente du cheval s'explique en disant que la force centripète est annulé par la force centrifuge avec un sens strictement opposé. Autour des dépressions et anticyclones, comme vu précédement avec le vent géostrophique, l'air circule de façon circulaire autour, une force centripète agit donc également avec la force de pression, accéllérant encore un peu plus le vent en direction du centre. La force centripète reste cependant faible par rapport à Coriolis et la pression.

  Force Axifuge (Axipète)

  La force axifuge est comme la force centrifuge, la force d'inertie d'un objet dans un repère en rotation. Mais au lieu d'être tourné vers l'extérieur du centre de rotation (centrifuge), elle est tourné vers l'extérieur de l'axe de rotation (axifuge). En fait cela désigne la même chose ; ce n'est qu'une question de point de vu géométrique. Par exemple dans le cas d'une sphère en rotation (la Terre), la force axifuge désigne l'ensemble des forces centrifuge potentielles à chaque intersection possible de l'axe de rotation. En physique mécanique, on a l'habitude de prendre comme référence un objet singulier ; dans ce cas nous n'avons besoin que du point d'intersection du rayon qui part du centre de gravité de l'objet, perpendiculairement à l'axe de rotation. Cette intersection est un point, d'où le terme de "Centri" (-fuge ou -pète). Mais en mécanique des fluides, les objets ponctuels se déplacent, donc leur centre de rotation se déplace aussi sur l'axe de rotation. On ne peut alors plus parler de point, mais de trajectoire sur l'axe ; d'où le terme de "Axi" (-fuge ou -pète). Le champ de force axifuge désigne alors un champ de force d'inertie potentielle le long de l'axe de rotation, dont chaque intersection est désigné par une force d'inertie centrifuge différente le long de cet axe. Usuellement, le terme axifuge (et axipète), ne s'utilise presque plus, même pour un fluide, car on a l'habitude de le décomposer en parcelles.

  Equilibre Cyclostrophique

  Lorsque la vitesse de rotation devient très rapide (= moment cinétique important), la force de Coriolis devient négligeable par rapport à la force centrifuge qui prend le dessus. On ne parle alors plus d'équilibre géostrophique mais d’équilibre cyclostrophique. C'est par exemple le cas lorsque les particules se situent à moins de 20/40 km du centre d'un cyclone tropical (oeil), l’équilibre s’effectue alors uniquement entre la force de pression et la force centrifuge car la force de Coriolis devient négligeable. C'est également le cas au niveau des tornades, où en raison de la conservation du moment cinétique, la rotation en équilibre cyclostrophique impose à la tornade de se resserer de plus en plus rapidement, augmentant ainsi à la fois les forces de pressions aspirantes et la force centrifuge qui s'y oppose.

  Onde Inertielle

  L'atmosphère se comporte comme un fluide. Une Onde d'Inertie (ou Oscillation Inertielle), est un terme de mécanique des fluides pour décrire les mouvements dû aux forces d'inertie (comme Coriolis) qui affectent la masse d'un fluide. En effet lorsqu’on perturbe un fluide en rotation, le mouvement d’une particule est caractérisé par une oscillation de basse fréquence appelée oscillation inertielle dont l’origine est la conservation du moment cinétique de la particule. L’accélération de Coriolis est là pour assurer la conservation de ce moment cinétique. Les ondes de Rossby ou les courants de vents géostrophiques sont des exemples d'ondes inertielles issues de la force de Coriolis.

  Accéllération de la Pesanteur

  La pesanteur qui nous maintien sur Terre (et qui donne le poids) est la somme de la force de gravitation et de la force centrifuge. Dans notre repère non-galiléen, l'accéllération de la pesanteur est donc dirigé à la fois par l'effet centripète de l'accéllération gravitationnelle et l'effet centrifuge (ou plus exactement "axifuge") dû à la rotation de la Terre. La pesanteur varie avec l'altitude (plus on monte en altitude, plus la force centrifuge est forte et plus la force de gravitation est faible) et varie avec la latitude (force centrifuge nul aux pôles et maximum à l'équateur). La force centrifuge est plus faible que la force de gravitation, mais suffisante pour que l'accélération de la pesanteur ne soit pas dirigée exactement vers le centre de la Terre. Il n'y a qu'à l'Equateur où force centrifuge et force de gravitation sont parfaitement alignées verticalement avec la force de pesanteur (perpendiculairement à l'axe de rotation terrestre). De même aux Pôles, la force centrifuge étant nul, la force de gravitation et la force de pesanteur sont également parfaitement alignées (dans l'axe de rotation terrestre). Partout ailleurs, la force axifuge (ou centrifuge) décale légerement la force de pesanteur par rapport à la force de gravitation (décalage faible, de l'ordre de 0,017° à la latitude de Bordeaux). Ce décalage peut aussi se décomposer en vecteur verticaux et horizontaux. Verticalement, cela induit que la force de pesanteur sera légerement plus faible que la force de gravitation à mesure qu'on se rapprochera de la latitude de l'Equateur (théoriquement, un homme de 70 kg devrait ainsi peser 250 grammes de moins à l'Equateur qu'aux Pôles). Enfin horizontalement, et c'est sans doute le plus important à retenir pour comprendre les prochains paragraphes, ce décalage devrait imprimer une force tournée en direction de l'Equateur, ce qui veut dire que tout corps (comme l’eau de l’océan, nous-mêmes ou une parcelle d'air), initialement au repos par rapport à la Terre et ne subissant l’influence d’aucune autre force, devraient se mettre à accélérer spontanément vers l’Equateur.

  Ellipsoïde de Rotation

  Heureusement la nature est bien faite et autre chose va venir contrecarrer ce décalage. En effet, la Terre est ce qu'on appelle un éllipsoïde de rotation ; c'est à dire qu'en raison de sa rotation sur elle-même, sa forme est celle d'un sphéroïde aplati aux Pôles. La Terre n'est donc pas une parfaite sphère, mais a une forme ellipsoïdale avec un rayon polaire inférieur d’une vingtaine de kilomètres au rayon équatorial. Ainsi les Pôles étant plus proche du centre de la Terre, la gravitation y est donc légerement plus forte qu'à l'Equateur. Cette différence de l'accélération gravitationelle est exactement proportionelle à la différence de la pesanteur issue de l'accéllération centrifuge (vu dans le paragraphe précédent) et ce n'est pas un hasard, car la Terre a adapté sa forme de façon à ce que la pesanteur soit équilibré à sa surface en tout point de cette surface. Donc contrairement à ce qui a été dit dans le paragraphe précédent, vous pesez bien le même poids que vous soyez sur l'Equateur ou les Pôles. Le décalage de la composante verticale de la pesanteur, issu de la force centrifuge, est donc bien équilibré grâce à la différence de l'attraction gravitationelle entre les Pôles et l'Equateur. Nous allons voir dans les paragraphes suivants ce qui concerne la composante horizontale.

  Force Normale

  Pour le paragraphe suivant, nous avons besoin de cette définition. La force normale est la composante perpendiculaire d'une surface de contact ; c'est une force de "réaction à la pesanteur" lorsqu'elle est appliqué à une surface, comme l'opposition de la matière à se faire traverser par l'objet soumit à son poids. Cette force de réaction est toujours de même grandeur que la composante perpendiculaire à la surface de la force appliquée. Dans notre référentiel, la Terre, la force normale est donc de même grandeur que la force de pesanteur, mais appliqué perpendiculairement à la surface, en direction de la verticale (vers le ciel donc). Dans un référentiel Galiléen, cette force aura la même valeur que la force gravitationelle.

  Composante Horizontale de la Force Gravitationelle

  Pour comprendre la composante horizontale des seuls effets dû à l'aplatissement aux pôles et en négligeant la force centrifuge, il faut se replonger dans un référentiel Galiléen. De ce point de vue, on constate qu'à tout point autre que situé sur l'Equateur ou les Pôles, il existe un décalage entre la force gravitationnelle et la force normale. Les deux forces (normale et gravitation) ne s'annulent pas, car il y a un petit angle entre eux, qui fournit une composante horizontale issue de la somme des deux forces, comme si l'objet était situé sur une pente. Ce décalage créé donc une force dirigé toujours vers les pôles que l'on appelle la composante horizontale de l'attraction newtonienne ou composante horizontale de la force centripète ("poleward force" en anglais). En raison de la notion de force normale, il est important de noter que la force d'attraction vers le pôle s'applique si et seulement si l'objet est soutenu en hauteur par rapport à la surface de la Terre. Un volume d'air ou un dirigeable sont bel et bien soumises à la force normale car sont en situation de flottabilité et déplacent une masse d'air pesante au sol. Mais il est important de noter que cette notion est visible seulement si l'objet est en mouvement. Un corps statique ne verra aucunement de déviation dirigé vers les pôles. Il faut aussi savoir que cela n'a d'importance que dans un repère galiléen, car dans un repère non-galiléen, cette "poleward force" sera parfaitement compensé par la composante horizontale de la force centrifuge.

  Equilibre des Forces

  Ainsi cette "force vers les pôles" qui est la projection de l'attraction gravitationnelle sur l'horizontale, devient exactement compensée, pour les calculs relatifs au référentiel non-galiléen, par la projection sur le plan horizontal de l'accélération centrifuge fois la masse, ce qui fait que la pesanteur (somme de la gravitation et de l'effet centrifuge) est exactement verticale. Dans ce cas, dans le référentiel non galiléen terrestre, Coriolis seul suffit pour décrire les phénomènes liés à la rotation de la Terre. Cette "force dirigé vers les pôles" permet donc de réaliser de parfaite simulation des oscillations inertielles sur Terre en négligeant totalement les forces de pression, comme je vous invite à le voir sur cette Simulation JAVA d'une Onde Inertielle (Cleon Teunissen - EJS). Cette "force d'attraction polaire" est en fait indécelable dans notre quotidien. Cependant c'est l’existence de cette composante horizontale qui permet à tout corps (comme l’eau de l’océan ou nous-mêmes), initialement au repos par rapport à la Terre et ne subissant l’influence d’aucune autre force, de ne pas se mettre à accélérer spontanément vers l’équateur, ou qui explique en grande partie les déviations sidérales longtemps inexpliqués du Pendule de Foucault (lire l'article de la Revue Météorologie : Ce qui fait tourner le Pendule de Foucault par rapport aux étoiles). Je vous invite également à lire cet article pour mieux comprendre cette "poleward force", que j'ai moi-même traduit avec la collaboration de son auteur : L'Effet Coriolis en Météorologie (par Cleon Teunissen, traduit par Damien Belliard). Ainsi pour conclure, vous savez maintenant pourquoi en météorologie, pour simplifier les calculs, nous enlevons totalement la force axifuge (centrifuge terrestre) et considérons la Terre comme parfaitement sphérique. Il ne reste alors dans les modèles numériques qu'à calculer la Force Coriolis, en rajoutant simplement les micro-perturbations de pesanteur du Geoïde terrestre (Voir la définition du Géopotentiel) et les forces de marées (position de la Lune, du Soleil et de la Terre).

  Liens en relation :

  Pression - Géostrophisme