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[ralafontant]

Les cyclones tropicaux,

Des machines thermiques

Sommaire

Introduction

PARTIE 1 : Structure et dynamisme interne d'un cyclone tropical

1) Structure d'un cyclone tropical

2) Dynamisme interne dans un cyclone tropical

PARTIE 2 : Formation et maintien d'un cyclone tropical

1) Cyclogenèse

2) Conditions nécessaires au développement et au maintien d'un cyclone tropical

PARTIE 3 : La conversion de la chaleur par un cyclone

1) La chaleur latente, source d'énergie d'un cyclone tropical

2) De l'énergie thermique à l'énergie éolienne

Conclusion

Bibliographie

Introduction

Du grec kuklos qui veut dire cercle, les cyclones tropicaux ont gagné leur place dans les débats tant chez le public en général que chez les spécialistes. Pour cause, l'année 2005 s'est révélée la plus prolifique dans la production de cyclones tropicaux et l'une des plus désastreuses, du moins dans l'océan Atlantique. Nous les connaissons souvent sous l'angle de leur impact destructif jusqu'à les craindre, avec raison vu l'énergie qu'ils peuvent déployer. Mais que sont-ils en fait? Comment naissent-ils?

Après avoir décrit qualitativement la structure interne de cette manifestation atmosphérique, nous décrirons les éléments qui assurent sa naissance, son maintien et son développement. Nous tenterons alors dans une troisième partie d'analyser les échanges énergétiques qui s'y déroulent.

PARTIE 1 : Structure et dynamisme interne d'un cyclone tropical

1) Structure d'un cyclone tropical

Un cyclone tropical est une dépression autour de laquelle est en rotation une large masse nuageuse organisée en bandes spiralées ; des vents de plus de 117 km/h dans le cas d'un ouragan et une zone concentrée d'orages et de pluies abondantes entourent la dépression qui a alors la forme d'un anneau compact et droit.

Structurellement, un cyclone tropical comprend quatre parties importantes : l'oeil où la pression est la plus basse, le mur de l'oeil dans l'environ immédiat de l'oeil, une couverture nuageuse importante et un écoulement divergent au sommet du cyclone.

En plus d'être la zone de plus basse pression au sol, c'est dans l'oeil du cyclone que la température en surface est la plus élevée (plus de 2 degrés en plus que l'air ambiant). Zone relativement calme avec un diamètre généralement compris entre 30 et 60 Km, les vents y sont faibles et, dans un cyclone intense, il est souvent possible d'observer des éclaircies bien que la mer puisse y être très agitée. Cependant, le sommet de l'oeil est l'endroit où la pression et la température sont les plus élevées (plus de 10 degrés de plus que l'air ambiant à une altitude de 10km) dans un cyclone. L'oeil du cyclone est aussi une zone de subsidence : l'air subit une lente descente.

Situé autour de la dépression, le mur de l'oeil consiste en une bande circulaire traversés par les vents les plus intenses, pouvant dépasser les 120 km/h. Dans l'hémisphère nord, ces vents, pouvant s'étendre sur un rayon de 150 km, tournent dans le sens direct, anti-horaire. Couvert par la masse nuageuse, le mur de l'oeil est le siège d'orages et de fortes précipitations. En outre, on y trouve des courants d'air ascendants, on parle alors de zone de convection ; la plupart des échanges énergétiques s'y déroulent. A la périphérie du cyclone, une subsidence, plus rapide que dans l'oeil ramène l'air du sommet du cyclone à la base.

Confondue en partie avec le mur de l'oeil, la masse nuageuse est surtout composée de cumulonimbus, épaisses masses nuageuses à base sombre et à sommet bourgeonnant pouvant déclencher averses de grêle et orages. D'un rayon de 500 à 1000 km, la masse nuageuse couvre complètement la dépression. C'est elle qu'on aperçoit souvent dans les images satellitaires.

Spécificité des cyclones tropicaux, on trouve dans les niveaux supérieurs du cyclone un écoulement divergent. Les vents s'éloignent en altitude de l'oeil dans une rotation anticyclonique. En fait, le passage de la rotation cyclonique à la rotation anticyclonique n'est pas un phénomène brusque. A la surface, les vents sont les plus forts mais ils faiblissent avec l'altitude jusqu'à changer leur sens de rotation au sommet du cyclone. Cependant, ces vents qui s'éloignent en altitude redescendent à la périphérie du cyclone.

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2) Dynamisme interne d'un cyclone tropical

Les différentes composantes du cyclone sont interdépendants : un cyclone tropical doit être vu comme un tout. Pour observer le dynamisme interne d'un cyclone tropical, on peut imaginer qu'on observe le mouvement général d'une particule en suspension dans le cyclone. Ainsi, nous allons partir de la partie inférieure du mur du cyclone et nous allons décrire la trajectoire de l'air.

Plus on se rapproche de l'oeil du cyclone et plus l'air est chaud et chargé d'humidité. Cet air est en rotation autour du centre de dépression, une rotation d'autant plus rapide qu'il est proche de l'oeil du cyclone. Cet air subit grosso modo en plus une ascension : phénomène de convection. Durant cette ascension, il libère au fur et à mesure de l'énergie stockée préalablement dans la chaleur latente de la vapeur d'eau qu'il contient. Au fur et à mesure cette vapeur d'eau se condense donc et contribue à la formation des nuages. De plus, durant l'ascension, la force de pression diminue étant donné que la pression dans l'oeil diminue avec l'altitude. Ainsi, la vitesse de rotation diminue jusqu'à s'inverser donc arrivé au sommet l'air alors refroidi est dans la zone de divergence où il est expulsé loin du centre de rotation. Dans les périphéries du cyclone, il redescend pour ensuite être entraîné de nouveau par la rotation cyclonique autour de l'oeil. A noter que par subsidence, il se réchauffe et s'assèche. Mais durant la rotation en forme de spirale qui le ramène près du centre, il subit une détente adiabatique ce qui le refroidit. Arrivé près de l'oeil, il se recharge en humidité et en chaleur pour recommencer le cycle. Il faut remarquer qu'au sommet du cyclone une partie de l'air refroidi plonge, par subsidence, dans l'oeil du cyclone en se réchauffant et en s'asséchant.

Ainsi, toutes les parties du cyclone sont en interaction constante et la moindre modification dans l'une peut changer complètement le dynamisme interne du cyclone. Deux bilans peuvent être étudiés dans l'analyse du dynamisme interne du cyclone : celui des forces et celui des énergies. Celui de l'énergie constitue le sujet de la troisième partie de cet exposé.

En tout point du cyclone, trois forces s'exercent sur l'air : la force de pression présente dans toute dépression, la force centrifuge due à la rotation du phénomène et la force de Coriolis due au mouvement de la Terre sur elle-même. Dans l'hémisphère nord, la force de Coriolis dévie la trajectoire du fluide vers la droite et dans l'hémisphère sud vers la gauche. Néanmoins, elle est beaucoup plus faible que la force centrifuge et celle de pression. Au bas du cyclone, la force de pression est orientée dans le sens opposé à la force centrifuge. Cette dernière est plus faible que la force de pression en périphérie d'où le mouvement vers le centre qu'y subit l'air mais elle augmente lorsqu'on s'approche du centre jusqu'à ce que l'air arrive à un équilibre au niveau du mur de l'oeil. Cependant, au sommet du cyclone la force de pression et la force centrifuge sont orientées dans le même sens d'où cette divergence en altitude.

PARTIE 2 : Formation et maintien d'un cyclone tropical

1) Cyclogenèse

Un cyclone tropical se forme toujours en mer en zone tropicale ou intertropicale, à plus de 5 degrés de l'équateur, entre juin et novembre en ce qui concerne l'hémisphère nord et entre décembre entre mai dans l'hémisphère sud. On peut distinguer 3 grandes phases dans la naissance d'un cyclone :

- d'abord, une dépression se crée au niveau de la surface ;

- cette dépression et la force de Coriolis créent un mouvement de rotation de l'air qui accélère en direction du minimum de pression ;

- après formation du tourbillon, une force centrifuge dû à une vitesse de rotation élevée des vents dans un rayon de petite dimension, naît ; ce qui entraîne une augmentation de la dépression jusqu'à ce que le cyclone atteigne son équilibre.

Ainsi, dans un premier temps, une température élevée de l'océan permet de chauffer l'air en surface en plus d'augmenter l'évaporation de l'océan ce qui charge l'air d'humidité, la vapeur d'eau transporte alors une chaleur latente. Commence alors un processus de convection ; et, en montant, l'air se refroidit et, arrivé autour de 15 km, libère la chaleur latente : ce qui provoque la condensation de la vapeur d'eau et l'apparition de gros nuages. Une dépression se creuse alors en surface, dans les basses couches du phénomène tandis que dans les hautes couches, la pression augmente.

Des vents transportant de l'air froid se déclenchent alors pour combler cette dépression et se mettent à tourner sous l'effet de la force de Coriolis. En altitude, l'air chaud entre en contact avec un courant jet, qui est un ensemble de vents à 400 km/h en altitude, et est donc accéléré. Cet air accéléré s'éloigne du centre en altitude et retourne à la base du cyclone naissant.

Le mouvement de rotation et d'ascendance favorise l'évaporation de l'océan à la surface et donc le tourbillon se maintient. La dépression d'abord due à des mouvements de cause thermique va se creuser à cause de facteurs dynamiques. En effet, dans le tourbillon se crée une force centrifuge qui pour être équilibrée va continuer à diminuer la pression au centre. Notre système sera alors devenue s'il dure assez longtemps un cyclone tropical.

2) Conditions nécessaires au développement et au maintien d'un cyclone tropical

Les conditions nécessaires à la survie voire au développement d'un cyclone tropical sont quasiment les mêmes que celles nécessaires pour sa naissance. Le cyclone doit être alimenté en énergie, les mouvements de convection doivent pouvoir être maintenus, la formation d'un vortex doit être possible et l'énergie conservée.

Le cyclone puise son énergie principalement de la chaleur latente de la vapeur d'eau donc, pour se développer, il a besoin d'eaux chaudes, c'est-à-dire d'eaux à une température d'au moins 26.5 degrés Celsius sur une épaisseur minimale de 50 mètres. En effet, les besoins en énergie d'un cyclone correspondent à l'équivalent de 5 bombes d'Hiroshima par seconde ; de façon plus précise, 3000 à 4000 calories par centimètre carré et par jour même si elle n'utilise que 3% de cette énergie.

Pour permettre un mouvement de convection, la température atmosphérique doit diminuer très rapidement avec l'altitude. Pour cela, on compare la température T de l'air à 300 mb à celle T' d'une particule qui s'élèverait de façon adiabatique jusqu'à une telle pression. Si T>T' alors le mouvement de convection est possible : l'atmosphère est dite instable. Sinon, aucun mouvement d'ascendance ne s'effectue. Les convections nécessitent entre autre une humidité très élevée, elles sont impossibles à moins de 40% entre 700 et 500 mb. Cet effet sera étudié dans la troisième partie.

Pour que le mouvement de vortex soit possible, il faut que la force de Coriolis soit significative ; on doit donc être à plus de 5 degrés de l'équateur. De plus, la dépression doit être fermée, c'est-à-dire un minimum local de pression bordé dans toutes les directions horizontales de pressions plus élevées.

Libérée entre les niveaux de pression 500 et 200 mb, la chaleur latente libérée par la vapeur d'eau, pour être conservée doit rester concentrer sur une très grande épaisseur. Pour cela, il ne faut pas que le vent dissipe la chaleur alors produite : le vent doit être relativement homogène lorsqu'on monte : on parle de faible cisaillement vertical du vent.

PARTIE 3 : La conversion de la chaleur par un cyclone

1) La chaleur latente, source d'énergie d'un cyclone tropical

Les cyclones tropicaux puisent la plupart de leur énergie dans la chaleur latente présente dans l'eau. Cependant, l'eau de l'océan n'est pas portée à 100 degrés Celsius. Nous assistons donc ici à un cas de coexistence des phases liquide et gazeuse de l'eau. Une expérience simple permet de mesurer ce phénomène. Introduisons dans une cuve étanche préalablement vide d'air, une certaine quantité d'eau à une certaine température et maintenons-la à cette température en utilisant par exemple un bain thermostatique. Plaçons sur la cuve un manomètre dont nous suivrons l'évolution. Au début, le manomètre indique une pression nulle, puis cette dernière augmente jusqu'à se stabiliser autour d'une valeur appelée la pression de vapeur saturante.

Essayons de comprendre le processus au niveau microscopique. Quelque soit la température, il existe toujours des molécules possédant une vitesse suffisante pour se libérer des forces de cohésion du liquide. En effet, soit V la vitesse de libération des molécules, alors en approximant avec la loi des gaz parfaits, on peut trouver le taux d'évaporation E de l'eau en intégrant la distribution de Maxwell pour toutes les vitesses supérieures à V. L'évaporation des molécules les plus rapides fait diminuer la température du liquide mais nous avons mis en place un bain thermostatique qui annihile cet effet. D'autre part certaines molécules sont rattrapées par le liquide et nous pouvons déduire aisément que le taux de condensation C de l'eau dépend surtout de la densité de molécules sous forme de vapeur d'eau et cette condensation provoque par un effet inverse à l'évaporation une augmentation de la température du liquide. Au début, E est supérieur à C mais après un certain temps, C devient égal à E pour une certaine quantité de molécules. Bien que ce nombre grandisse logiquement avec le volume de la cuve et plus précisément avec sa hauteur, on voit que cet effet est annihilé si nous mesurons la pression. En considérant la vapeur d'eau comme un gaz parfait, on a : P*V=constante*n. Or, si V augmente du même facteur que n ce qui est le cas, P est constant. D'où la conclusion, la pression de vapeur saturante augmente avec la température.

Pour revenir au système cyclonique, plus la température de l'océan est élevée et plus le nombre de molécules d'eau qui s'échappe augmente. Lorsque la quantité de molécules qui s'évapore est très grande, ce qui est le cas lorsque l'humidité dépasse 70% comme dans la plupart des cyclones, les molécules d'eau en se condensant libèrent une énorme quantité de chaleur, et contribuent à chauffer l'air ambiant.

2) De l'énergie thermique à l'énergie éolienne

Lorsque l'eau est portée à une température dépassant 26.5 degrés Celsius sur une profondeur de plus de 50 mètres, la pression de vapeur saturante augmente donc le taux d'humidité de l'air au contact de l'océan s'élève à son tour. On assiste donc à trois phénomènes thermodynamiques.

D'abord, les molécules d'eau, alors d'une température supérieure à celle de l'air dans l'environ immédiat, transmettent sans travail, de la chaleur à l'air qui l'entoure jusqu'à atteindre l'équilibre thermodynamique à savoir la même température.

Ensuite, l'air humide porté à une température supérieure subit la poussée d'Archimède. La remontée étant rapide, la pression diminue sans échange de chaleur. Nous assistons donc à une détente adiabatique. Donc le produit du volume et de la température avec pour exposant le nombre de degrés de liberté des molécules est une constante. Ainsi, en remontant, l'air humide se refroidit et, arrivé à une certaine température, elle tend à se condenser en s'agglomérant autour d'aérosols.

Cette condensation libère beaucoup d'énergie, la chaleur latente, étant donné le taux élevé d'humidité. Ceci tend à réchauffer l'air en altitude. Mais notons qu'en même temps, les précipitations tendent à s'évaporer en présence d'air sec et donc à consommer de l'énergie, ce qui refroidirait l'air en altitude et surtout l'air à la base du mur de l'oeil. Donc cette libération de chaleur latente permet de compenser ces refroidissements potentiels.

Ces trois processus mettent ainsi en évidence la manière par laquelle la chaleur latente stockée dans la vapeur d'eau maintient le système cyclonique, c'est-à-dire les processus de convection et donc la dépression près du centre. La pression décroissante lorsqu'on part de l'extrémité pour aller au centre est donc à la base du mouvement éolien horizontal. Or l'intensité de la composante du vent due à la pression est directement proportionnelle à la dérivée de l'indice entre deux isohypses par rapport à la distance, l'isohypse étant les lignes de même altitude et de même pression. Ainsi, l'énergie thermique en maintenant le système cyclonique est transformée en énergie éolienne.

Conclusion

Ainsi, un cyclone tropical est une gigantesque machine thermique qui transforme la chaleur en travail ou plus précisément l'énergie thermique en énergie éolienne. Cependant, quelques éléments nous ont échappé dans cet exposé : par exemple, pourquoi ce mouvement de subsidence dans l'oeil du cyclone?

La compréhension profonde de ce phénomène dans son ensemble est d'autant plus urgente que la tendance semble à la hausse en ce qui concerne la fréquence et l'intensité des cyclones par année. Elle permettra, espérons-le de trouver une manière efficace de les détruire sans risque majeur ou mieux encore de récolter l'énergie gigantesque qui y sévit.

Bibliographie

http://tempete.ifrance.com/liensdef.htm

http://fr.wikipedia.org/wiki/Cyclone_tropical

http://www.futura-sciences.com/comprendre/d/dossier573-4.php

http://etudiant.univ-mlv.fr/~vprymka/index3.html.html

http://www.cyclonextreme.com/cyclonedicoformation.htm

http://www.meige.net/pdf/cyclogenese.pdf

Fondamentaux de météorologie à l'école du temps, de Sylvie Malardel

Le Petit Robert, 2002

[Al Saqr]

Ah merci ! J'ai enfin compris pourquoi les ventilateurs refroidissent ! Il m'en aura fallu du temps...

Sinon l'explication de Sylvie Malardel m'a quand même l'air un peu laborieuse, mais je pense voir à quoi c'est dû.

Et l'objectif de détruire les cyclones simplement parce qu'on les comprend me semble quand même un peu ambitieux...

[TiCam]

J'ai peur!

[ralafontant]

Al Saqr, Sylvie Mardel n'y est pour rien. C'est moi qui ai ecrit ce texte.

[Al Saqr]

Ooooh ok !!!! Je comprends mieux Je ne savais pas que tu continuais à écrire ce genre de texte ! Bravo !

J'ai mal interprété la bibliographie en effet, une bien triste erreur.

Mais je ne comprends toujours pas pourquoi et comment on devrait détruire les cyclones. L'énergie de ces structures naturelles est si diffuse et si énorme qu'il semble bien plus logique de se défendre contre eux en un point localisé que globalement.

[ralafontant]

Al Saqr, pour te dire mon avis, je pense qu'il faut davantage essayer de recolter l'energie qu'elle degage et je pense sincerement que c'est possible. Si une telle technologie devenait realite, nos problemes de courant electrique seraient a jamais resolus. L'autre option, essayer de les detruire (d'annihiler leur effet) serait la seule autre porte de sortie a moins que l'on decide de ne plus construire dans les zones risquant d'etre affectees par ces intemperies.

[Al Saqr]

Bien, mais la récolte de l'énergie dégagée se fera certainement dans l'intervalle où se crée le cyclone et non lorsqu'il est déjà actif. Et de cette manière, en suçant son énergie dès le départ, il ne pourra pas être créé et on peut donc dire qu'il est détruit.

Par contre, le faire lorsqu'il est déjà formé est un gaspillage inouï : l'énergie est bien trop diffuse.

Quand tu parles de nos problèmes de courant électrique, fais-tu allusion à Haïti ou au genre humain ? Personnellement je ne pense pas que nous ayons de problème technique particulier, c'est plutôt la gestion de cette énergie qui est aberrante.

Les zones risquant d'être affectées par ces intempéries peuvent être relativement facilement protégées, ou du moins, le coût énergétique de leur protection est bien moindre du coût énergétique du contrôle d'un cyclone. Le problème est alors localisé, limité dans l'espace et il est possible de mettre en place différentes solutions techniques pour que le cyclone ne fasse que l'effet d'une grosse pluie. Pluie qui ne serait pas trop dangereuse vu les aménagements réalisés auparavant permettant une évacuation facile de ces eaux.

Sinon, comment penses-tu pouvoir récupérer cette énergie ? A quel stade du cyclone ?