III- Le vent et la pluie
dans les régions tempérées (cycle3)
6) Lien entre la direction du vent et les isobares
Un objet lancé et laissé à lui-même en n'étant soumis à aucune force continue sa course en ligne droite et à vitesse constante (principe de l'inertie). Mais il en résulte que, vu dans un référentiel tournant, il est dévié, donc il est vu soumis à une force. On constate que cette force appelée force de Coriolis, est perpendiculaire à la trajectoire et tire vers la droite dans un référentiel tournant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre (comme la Terre vue depuis l'hémisphère nord). Les différentes animations ci-contre à droite illustrent ce phénomène. La force de Coriolis est proportionnelle à la vitesse de l'objet.
Dans l'atmosphère, la force de friction sur le sol est négligeable. Une masse d'air qui a un mouvement local pas trop éloigné du mouvement rectiligne à vitesse constante est donc soumise à une force totale nulle, somme de la force de Coriolis et de la force liée à la pression, perpendiculaire aux isobares. On en déduit que le vent est parallèle aux isobares, et tourne dans le sens des aiguilles d'une montre dans l'hémisphère nord autour des anticyclones, comme on le voit sur la figure ci-contre à droite (en cliquant sur l'image on arrive à l'animation correspondante). Plus les isobares sont resserrés, plus la force liée à la pression est forte, donc plus la force de Coriolis doit être forte, donc plus le vent est fort. L'intensité du vent est donc inversement proportionnelle à l'écartement des isobares.
Pour le codage, le symbole
signifie vent d'ouest de 25 nœuds, et le symbole
signifie vent d'ouest sud-ouest de 75 nœuds. 1 nœud
= 1.8 km/h = 0.5 m/s. Un petit trait signifie donc 5 nœuds, un trait signifie 10 nœuds, et un triangle noir, 50 nœuds.
Les traits, représentent l'empennage de la flèche et sont donc à l'arrière de la flèche qui indique le sens et la direction du vent.
7) Mesure de l'intensité du vent au cycle 3
Au cycle 3, il est intéressant de mesurer l'intensité du vent avec l'anémomètre à balle de ping-pong. On accroche avec un fil de nylon une balle de ping-pong au petit trou qui existe toujours à la base d'un rapporteur. Pour attacher la balle avec ce fil, on donne une forme de crochet à un trombone, puis on chauffe le trombone avec la flamme d'un briquet. On perce alors deux trous voisins en enfonçant le trombone dans la balle de ping-pong, puis en lui donnant un mouvement de rotation et en le ressortant en un point voisin. Il n'y a plus qu'à faire le même mouvement le fil étant attaché au trombone, puis à faire un nœud. Le rapporteur est placé horizontal dans le sens du vent. Plus le vent est fort, plus le fil fait un angle faible avec l'horizontal. En cliquant sur la photo de l'anémomètre à balle de ping-pong ci-contre à droite, on a le tableau de conversion des angles en vitesse, et aussi l'échelle anémométrique Beaufort. Pour les km/h, il faut multiplier les m/s par 3.6 . 1 nœud = 1.8 km/h = 0.5 m/s . Avec cette activité, on a une première sensibilisation concrète au cycle 3 à la notion d'angle. Comme le ping-pong est une discipline olympique, toutes les balles de ping pong ont la même masse et le même volume, ce qui fait que le tableau fourni est universel.
8) Origine de la pluie dans les pays tempérés
Dans nos régions, il y a des dépressions, mais ce ne sont pas des dépressions thermiques, comme à l'équateur, où l'air monte parce qu'il est moins dense du fait qu'il est plus chaud. Ce sont des dépressions dynamiques. Comme le dit la vidéo du chapitre précédent, dans nos régions, en altitude, le vent est d'ouest. En effet, la surface des régions tropicales est beaucoup plus importante que la surface des régions tempérées et polaires, du fait que la surface terrestre se resserre pour devenir un point au pôle. L'ensemble de l'atmosphère est donc emporté, par frottement sur le sol, dans un vaste mouvement d'ouest en est associé à la rotation de la Terre. Mais, plus on est au nord, plus la vitesse du sol vers l'est est faible. L'atmosphère va donc vers l'est par rapport au sol (vents d'ouest). Derrière cela, il y a encore l'action de la force de Coriolis. Une autre manière de dire cela est que, à cause de la déviation de la force de Coriolis, les alizés soufflent du nord-est, donc par frottement, ralentissent la rotation de la Terre. Il faut donc bien qu'autre part, des vents d'ouest aient l'action inverse. Ces vents violents d'ouest sont parcourus de tourbillons, comme des tourbillons dans un fleuve en crue, sauf que la force qui creuse le tourbillon n'est pas la force centrifuge, mais la force de Coriolis, ce qui fait que dans l'hémisphère nord, un tourbillon tourne toujours dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.
Mais poursuivons l'analogie avec un tourbillon classique : dans la vidéo (on peut cliquer sur l'image du sable dans l'eau ci-dessus à droite pour l'obtenir), on verse lentement un peu de sable dans un récipient plein d'eau. Le sable tapisse alors uniformément le fond du récipient. Mettons alors l'eau en rotation. On voit se former au milieu du fond un petit tas de sable. C'est là que tout le sable vient se rassembler. En regardant de près on voit d'autre part en permanence une multitude de petits grains de sable glisser sur le fond vers le centre. C'est parce que ces derniers, au centre, giclent vers le haut puis retombent à la périphérie. Ceci met en évidence au centre, un courant ascendant.
Raisonnons sur la figure ci-dessus à droite. La pression est la même en A et en C, c'est la pression atmosphérique. Maintenant, la colonne d'eau CD est immobile, puisqu'elle est au centre du récipient, donc la loi de l'hydrosatique s'y applique. Idem pour la colonne AB, mais cette fois-ci, c'est parce que, à cause du frottement visqueux de l'eau, elle est immobile par rapport à la paroi. La pression augmentant régulièrement avec la profondeur pour toute colonne d'eau immobile, on en déduit que PB > PD. Mais cette différence de pression ne peut pas être soutenue par la force centrifuge, car à cause du frottement sur le fond, l'eau est immobile au fond. Il en résulte un mouvement de l'eau de B vers D. Au fond, l'eau converge radialement entraînant le sable avec elle. Au centre, l'eau est alors forcée d'être évacuée en montant. D'où le courant ascendant qui fait gicler le sable au dessus du tas, le sable retombant à la périphérie.
C'est la même chose qui se passe dans l'atmosphère, mais l'air ascendant au centre de la dépression se détend en montant (la pression diminue avec l'altitude) et cette détente provoque un refroidissement (on peut dire aux enfants qu'il fait plus froid en altitude ce qui refroidit l'air, mais l'explication est obtenue avec ce lien) qui fait se liquéfier la vapeur d'eau en nuages. Il pleut.
Tout ceci explique deux choses : pourquoi le mauvais temps donc la pluie sont liés aux basses pressions, et pourquoi le vent est associé à la pluie. En effet, il pleut quand un tourbillon passe, donc quand il y a beaucoup de vent. On peut, avec des cycles 3, essayer de vérifier par des mesures, que la pression mesurée avec un baromètre est plus basse quand il pleut, et que les tempêtes sont associées à la pluie. On comprend donc, sur la photo du baromètre ci-contre à droite, qu'en face des basses pressions, il y a écrit pluie ou vent, puis tempête.
Suite : les perturbations du front polaire.
