L'énergie des cellules de convection

Les cellules de convection expliquent parfaitement le réchauffement de l'Arctique et de la péninsule Antarctique. Mais comment fonctionnent-elles ? Officiellement, elles existeraient à cause d'un transfert d'énergie entre des régions à bilan radiatif négatifs et positifs.



Concrètement, nous allons voir que leur énergie doit dépendre de la quantité de vapeur d'eau présente dans l'atmosphère. Nous savons qu'à partir de zéro degré, les mers, les sols, la faune et la flore, produisent de la vapeur d'eau, et que cette évaporation rafraîchit l'environnement où elle a lieu. Elle se produit partout et lentement. A l'inverse, la condensation de la vapeur d'eau est un phénomène brutal et localisé, car lié à des conditions qui ne sont pas réunies partout. Elle est favorisée par les baisses de températures, les augmentations de pression et la présence de noyaux de condensation. Et quand elle se produit, elle crée des variations de pressions qui créent des turbulences. 

Pour se rendre compte de la force de la condensation de la vapeur d'eau, chacun peut réaliser l'expérience que voici. Elle consiste à mettre de la vapeur dans une bouteille en plastique, à la fermer et à la passer sous un robinet d'eau froide. Elle implose ; et le vide qui l'a fait imploser ne se remplit pas de vapeur quand la température augmente. De même dans l'atmosphère. Sa condensation produit des fortes dépressions qui font baisser la pression atmosphérique et monter l'air. La chaleur que les molécules d'eau avaient pompée à leur environnement pour s'évaporer est libérée en altitude. Elle est transmise aux autres molécules de l'air, ce qui les fait monter.


L'évaporation de l'eau et l'évapotranspiration des plantes jouent donc un rôle essentiel dans le domaine des transferts thermiques atmosphériques, et la dépression que produit la condensation fait baisser la pression atmosphérique et favorise l'ascendance des masses d'air. Vu sa puissance, on peut raisonnablement penser que les plus fortes ascendances d'air viennent d'elle, et pas de la poussée d'Archimède qui fait monter l'air chaud parce qu'il est plus léger que l'air froid.

Il faut admettre que ce n'est pas directement l'énergie solaire qui produit les grands courants de convection et les vents de l'atmosphère, puisque la chaleur qui est pompée par la vapeur d'eau au niveau du sol est libérée en altitude. L'énergie solaire n'est pas consommée.

On peut aussi se demander : D'où vient l'air froid qui remplace l'air chaud qui monte ? Vient-il de courants d'air froid qui descendraient à proximité des courants d'air chauds ? Où vient-il de beaucoup plus loin ? Car si les grandes cellules de convection existent vraiment, ce que personne ne conteste, cela signifie qu'il est principalement remplacé par de l'air qui vient de très loin. Ce qui n'exclut pas l'existence convections locales de moindre importances.

Il y a au moins deux bonnes raisons qui donnent de l'importance aux grandes cellules de convection. Il y a d'abord le fait que plus les molécules de l'air sont loin du sol, moins elles sont comprimées par la colonne d'air au-dessus d'elles et plus elles sont éloignées les unes des autres. La diminution de la pression atmosphérique avec l'altitude a donc un effet opposé à la baisse de la température avec l'altitude qui conduit les molécules à se rapprocher. En conséquence, la masse volumique des couches d'air de l'atmosphère doit être sensiblement la même à toutes les altitudes (sauf quand la condensation de la vapeur d'eau change la donne). Elles ne sont donc pas plus lourdes et n'ont pas de raisons de descendre.


La deuxième raison est que les masses d'air froides et chaudes ne se mélangent pas. Cette particularité découle du comportement des molécules gazeuses. Plus leur milieu est froid, plus elles sont proches et solidaires. Elles forment une masse moins facile à pénétrer. C'est pour cela que la masse volumique des gaz est d'autant plus importante qu'ils sont froids ; et pour cela que les régions polaires sont des vastes zones de hautes pressions où l'air descend.


Par rapport à ces faits, nous comprenons que les vents dominants doivent venir des grandes cellules de convection (et pas d'un conflit entre les masses d'air). L'aspiration de l'air des zones dépressionnaires produit automatiquement des vents venant des régions où le poids de l'air est maximum. L'influence des cellules sur le climat est donc primordiale. Elles sont à l'origine des vents de surface et du déplacement des grandes masses d'air froides et chaudes. Et les très basses température des régions polaires ne viennent pas d'un manque d'ensoleillement (comme on le pense souvent) mais de l'air très froid (-56°C en moyenne) de la tropopause qui descend sur elles.

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