Un exemple de transfert d'énergie entre hydrosphère et atmosphère: les cyclones


Les auteurs:
Ce travail a été réalisé dans le cadre d'un groupe de travail Météo-France / Académie de Toulouse.
Professeurs SVT:
- Maryse CARIOU, lycée polyvalent Rive Gauche - TOULOUSE
- Pierre ETCHEMENDY, lycée Pierre d'Aragon - MURET

Correspondants Météo-France:
- Laurent BORREL, Responsable Pédagogique de l'ENM (Ecole Nationale de la Météo)
- Emmanuel CELHAY, enseignant à l'ENM

Nous voudrions remercier, pour leurs trucs, ficelles et trouvailles tous ceux qui nous ont aidé, en particulier: Maïté Lagrave (lycée Pierre d'Aragon - Muret), Alain Bounes (lycée Bellevue - Albi), Pierre Pérez (lycée Bagatelle - St Gaudens).


Prérequis:
Compositions de l'hydrosphère et de l'atmosphère et courants. Utilisation de base des images satellitales (canal visible, canal IR)

Cet exercice comporte quatre activités. Pour les trois premières il est fait une proposition de démarche à adopter avec les élèves, un exemple de résultats auxquels on peut aboutir, des compléments d'information sur le phénomène cyclonique en relation avec l'activité en cours. Suite à ces trois activités, il a été rédigé une synthèse répondant au problème énoncé dans le titre de l'exercice. On y voit nettement que les objectifs de connaissance à retenir sont restreints.
La quatrième activité élargit la notion de transfert d'énergie en montrant, en quelques images, le devenir d'un cyclone.

Activité 1: les cyclones en quelques documents

Proposition de démarche:

Exploitation par binôme des différents documents puis mise en commun des informations récupérées.
Chaque document doit apporter des informations sur le phénomène cyclonique. Certaines peuvent être déjà connues des élèves, il faut malgré tout les retrouver à partir des documents proposés.
Les documents 1, 2 et 5 sont les plus longs à exploiter pour l'élève. Le 1 permet entre-autres l'évaluation du diamètre de la masse nuageuse. Le document 2 nécessite de la part des élèves, d'avoir déjà étudié une image satellitaire en canal infrarouge. Si ce n'est pas le cas, le document doit être exclu de l'analyse car des informations erronées pourraient en être tirées. En effet, cette image ne donne pas les différentes températures au sein du cyclone mais seulement les températures des surfaces émettrices (ici, sommet des nuages et surface de la mer).
Le document 5, riche en informations, nécessite de prendre en considération la valeur moyenne de la pression, ainsi que le lieu où sont réalisées les mesures .

Exemple de réponse attendue:

Qu'est ce qu'un cyclone ?

Extrait du livre "les cyclones à la Réunion " de Mirielle Maryoka (production du Centre des cyclones tropicaux de la Réunion - Météo-France)
Le cyclone est une perturbation atmosphérique occasionnant des vents violents et des pluies diluviennes. On considère qu'un cyclone atteint sa maturité lorsque les vents moyens (sur 10 minutes) près du centre atteignent 118km/h, ce qui correspond à la force 12 sur l'échelle de Beaufort.
Le cyclone se caractérise par une énorme masse nuageuse d'un diamètre moyen de 500km mais pouvant dépasser 1000km, organisée en bandes spiralées qui convergent vers un anneau central. Celui-ci se présente comme un entonnoir, un peu plus large en haut qu'en bas, il est délimité par une épaisse muraille nuageuse pouvant atteindre 14000 à 18000 mètres de hauteur appelée mur de l'œil.
L'anneau central constitue la partie la plus active du cyclone ; les pluies y sont torrentielles et les vents très violents. Il entoure le cœur du cyclone "l'œil ", qui lui est une zone d'accalmie. Le cyclone est associé à une zone de très basse pression atmosphérique, facilement enregistrable au niveau de la mer. Elle est généralement inférieure à 960 hpa voire 900 hpa dans certains cas, la pression moyenne, de référence, étant de 1013 hpa.
La température augmente sensiblement de la périphérie vers le centre, l'anomalie de température pouvant atteindre 10 à 15 ° C dans l'œil, au-delà de 7000 mètres d'altitude, le cyclone est donc une perturbation à cœur chaud.

Appelations cyclones, tornades et compagnie...

Extrait de "Tempêtes tropicales et ouragans" de Michel Hontarrède
Météo France MET MAR 180.
D'une manière générale on définit le cyclone tropical comme une perturbation atmosphérique tourbillonnaire, de dépression très basse, tournant dans le sens des aiguilles d'une montre dans l'hémisphère sud et dans le sens contraire dans l'hémisphère Nord. A maturité, vents de 118 km/h, il produit des pluies diluviennes et génère houle et marée de tempête. Suivant les régions du globe on parle de typhon (en Asie du Sud-Est), ouragan (mot anglo-saxon = hurricane) ou de cyclone pour cette perturbation dévastatrice.

 

 

Activité 2: répartition des cyclones dans le monde

Proposition de démarche.
Travail individuel, chaque élève doit exploiter les documents l'un après l'autre.
Pour le tableau : l'élève doit faire l'effort de se représenter mentalement les zones géographiques évoquées, on peut prévoir un planisphère ou une autre modélisation du globe dans la salle en cas de difficultés. Il aura sans doute tendance à oublier d'exploiter la première colonne !
Pour la carte, l'élève doit simplement placer les lieux de cyclone en fonction de leurs coordonnées géographiques


Exemple de réponse attendue.
L'analyse du tableau doit aboutir à la localisation géographique (imprécise en latitude), et temporelle des cyclones.
La carte permet de préciser la localisation géographique. Cette localisation en deux temps, doit conduire à la formulation d'un début d'explication du phénomène cyclonique, donc à une hypothèse sur la formation des cyclones.

Documentation complémentaire sur la formation des cyclones.

La cyclogénèse (à partir du livre "les cyclones à la Réunion " de Mirielle Maryoka)

La naissance d'un cyclone, appelée cyclogénèse en météorologie, requière en réalité plusieurs conditions :
- La température de la mer doit être supérieure à 26° C sur une profondeur d'au moins 60 mètres.
- Une dépression initiale
- De la divergence en haute altitude afin qu'il y ait écoulement continu du courant vertical ascendant qui existe au cœur du système.
- Une certaine homogénéité des vents entre les couches basses et hautes de l'atmosphère.
Ces différentes conditions font que les cyclones se forment essentiellement sur les régions océaniques tropicales, situées entre les 5° et 20° parallèles, au cours des saisons estivales. En dessous des 5° parallèles la force de Coriolis est insuffisante pour faire naître des mouvements tourbillonnaires.
Il faut environ 5 jours, en moyenne, pour qu'un système dépressionnaire naissant atteigne le stade de cyclone (cependant ils n'évoluent pas tous en cyclone). Sa durée de vie est voisine d'une dizaine de jours, mais là encore elle est très variable. En effet certains se dissipent au bout de 3 à 4 jours, d'autres au contraire vivent une vingtaine de jours.


Activité 3: les relations entre la mer et l'atmosphère

Proposition de démarche.
Laisser l'élève aborder seul l'activité afin qu'il réalise que le document proposé confirme l'hypothèse formulée en fin d'activité 2.

Exemple de réponse attendue:
- Après le passage du cyclone la mer a perdu de la chaleur ; c'est la forte température de l'eau à ces latitudes qui provoque la formation des cyclones.
- Il y a un transfert d'énergie entre des masses océaniques (hydrosphère) et des masses atmosphériques.

Documentation complémentaire sur la dynamique des cyclones (voir plus loin)

SYNTHESE DE L' ENSEMBLE DES TROIS ACTIVITES (à réaliser par le professeur)
Le cyclone est une immense colonne ascendante d'air chaud et humide (plus de 1000 km de diamètre). C'est la chaleur de l'eau qui en est à l'origine et qui l'alimente. La chaleur de l'eau est peu à peu convertie en mouvement vertical de l'air .
Dans le cadre du mouvement ascendant, l'air se refroidit par détente. La saturation est rapidement atteinte, il se forme alors d'impressionnants nuages (les cumulo-nimbus). La masse nuageuse peut atteindre 1700 km de diamètre et 18 km de hauteur.
Le mouvement vertical entraîne aussitôt des mouvements d'air horizontaux, d'autant plus rapides et violents que la différence de pression est grande entre la périphérie de la colonne et son centre .

Schématisation possible:

 


Documentation complémentaire: la machine thermique cyclone .

Extrait du livre "les cyclones à la Réunion " de Mirielle Maryoka (production du Centre des cyclones tropicaux de la Réunion - Météo-France).
Le cyclone met en jeu une énergie considérable qui équivaut à 5 bombes atomiques de type Hiroshima par seconde. A la manière d'une machine thermique il transforme de la chaleur en mouvement, ce qui permet d'évacuer le trop plein d'énergie des océans tropicaux surchauffés l'été . Il peut être comparé à une énorme pompe à air ou encore à une cheminée aspirant à la base de grandes quantités d'air chaud et humide et les rejetant en altitude. Au cours de son ascension, l'air subit une rapide baisse de pression et par suite un refroidissement important provoquant la condensation de la vapeur d'eau : ainsi se forment les impressionnants nuages et les précipitations.

 

Coupe schématique d'un cyclone tropical de l'hémisphère Sud
(illustration extraite du livre "les cyclones à la Réunion " de Mirielle Maryoka)



Activité 4 : DU CYCLONE A LA TEMPÊTE ou l'histoire d'un transfert d'énergie dans l'atmosphère

Cet exercice ne nécessite pas une grande précision pour la localisation, il suffit que "le cyclone" remonte vers nos latitudes en décrivant une trajectoire parabolique.
La trajectoire, ainsi établie, montre que le cyclone, (masse nuageuse en rotation) est lui-même inscrit dans un mouvement atmosphérique de grande amplitude (de la latitude 15°N aux latitudes 52°-55°N).
La masse nuageuse du cyclone s'ajoute aux bandes nuageuses existant déjà sur l'Europe de l'Ouest. Là, le passage de l'eau vapeur à l'eau liquide s'accompagne d'une libération d'énergie qui contribue à échauffer l'air de nos latitudes.
Après la conversion " chaleur de l'eau - mouvements de l'air" (voir activité 3) on a, à ces latitudes, une nouvelle conversion "changement d'état de l'eau - chaleur de l'air". Le déplacement du cyclone a permis un transfert d'énergie sur une très grande distance!
On a, de plus, l'idée que les mouvements aériens, engendrés par l'inégale répartition de l'énergie solaire atteignant la surface, contribuent à réduire cette inégalité.

Il est important de préciser que tous les cyclones ne s'associent pas à une perturbation à de plus hautes latitudes, en effet beaucoup de cyclones du Pacifique nord-est se dissipent auparavant.

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