Spirale d'Ekman
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La spirale d'Ekman est le résultat de la structure des courants dans un fluide en rotation (air, eau, etc.) près d'une frontière solide. Par exemple, le changement de direction et de vitesse des vents dans la couche près du sol est une spirale d'Ekman.
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[modifier] Origine
Lors d'une expédition océanographique dans l'océan Arctique, le norvégien Fridtjof Nansen, à bord du Fram, observa que le déplacement des icebergs soumis au vent ne suivait pas la direction de celui-ci. En effet, ils dérivaient de 45 degrés vers la droite. De retour de son expédition, en 1896, il partagea ses connaissances et ses observations avec le suédois Vagn Walfrid Ekman. Dix ans plus tard, vers 1905, Ekman publia la théorie de ce modèle de circulation, appelé Spirale d'Ekman.
[modifier] Dans l'atmosphère
La spirale est une conséquence de la force de Coriolis, de la viscosité du fluide et de la friction de la surface frontière. Un fluide comme l'air qui se trouve dans un référentiel en rotation subit deux forces: la différence de pression qui le force à se déplacer vers les pressions les plus basses et la force de Coriolis.
Le mouvement est imprimé initialement par la force de pression, la masse d'air "chutant" dans le puits de dépression. La force de Coriolis, qui n'est pas une force réelle mais le résultat de la rotation de la Terre sur le mouvement d'une particule telle que vue par un observateur au sol, "dévie" substantivement ce mouvement perpendiculairement au déplacement de l'air. Dans l'hémisphère nord, la déviation est vers la droite en regardant vers le centre dépressionnaire. À l'équilibre, le courant circule le long des isobares, sans friction. Ce phénomène est décrit par les équations du vent géostrophique qui révèle en particulier la périodicité de telles structures : une onde de Rossby.
C'est ce qu'on voit dans la partie gauche supérieure de la figure ci-contre et c'est approximativement ce qui se passe dans la troposphère au-dessus de la couche où la friction du sol s'exerce (500 m à 3 km d'épaisseur selon le terrain). Cependant, dans cette couche limite, la friction s'ajoute à la balance des forces (partie en bas gauche du dessin) mais dans la direction opposée au déplacement. Ceci ralentit la masse d'air qui par conséquent tombe dans le puits dépressionnaire (de même qu'un satellite en orbite basse en panne de moteur tomberait sur la surface de la terre par friction avec son atmosphère).
La partie droite du dessin nous montre la variation de la vitesse en amplitude et en direction en fonction de l'altitude. La friction est maximale au sol et son effet, propagé par la viscosité du fluide, diminue à zéro graduellement en s'élevant. Donc la direction des vents tourne vers la gauche, en faisant face au centre dépressionnaire dans l'hémisphère nord, entre le sommet de la couche limite et le sol.
[modifier] Surface air-eau
La figure de droite montre l'effet de la spirale d'Ekman sur l'interface air-mer. On a un vent qui met en mouvement la surface de l'eau par friction. La force de Coriolis fait dévier vers la droite le courant ainsi induit. Cette couche de surface fait bouger la couche sous-jacente mais à une vitesse inférieure à cause de la dissipation par viscosité. Ce nouveau déplacement est lui aussi dévié vers la droite par la force de Coriolis. L'épaisseur de la couche affectée par la spirale dépend de la viscosité de la mer et s'appelle la couche d'Ekman.
On a donc une variation de direction inverse de celle mentionnée dans l'air pour deux raisons:
- la friction est au sommet de la couche d'eau au lieu de sa base
- le mouvement n'est pas dû à une balance entre la force de Coriolis et le gradient de pression mais au transfert de mouvement par le vent.
On a dans ce cas une trajectoire intertielle (voir Forces d'inertie) où seule la force de Coriolis agit. Dans la mer, la spirale d'Ekman est surtout observée dans les eaux couvertes de glace où la thermocline est stable, réduisant la viscosité. En pleine mer, la thermocline variant de façon diurne et les vagues ne permettent pas la propagation du mouvement en profondeur, la turbulence engendrée dissipe rapidement l'effet de la spirale.
[modifier] Conséquences et phénomènes connexes
Article détaillé : Transport d'Ekman.Le norvégien Otto Sverdrup a tenté d'appliquer cette théorie à un bassin océanique, au sein d'une gyre anticyclonique subtropicale. Il a ainsi montré que l'eau s'emplit au centre de la gyre subtropicale et que cela provoque la naissance d'une convergence au centre du bassin. Cette convergence forme un dôme qui peut s'élever d'un mètre au dessus de la mer. Dans le cas d'une gyre cyclonique, le phénomène inverse s'effectue, créant une zone de divergence, au centre de la gyre, provoquant une remontée d'eau profonde pour compenser la baisse locale du niveau de la mer.
[modifier] Bibliographie
- A. Gnanadesikan et R.A. Weller, 1995 · "Structure and instability of the Ekman spiral in the presence of surface gravity waves" · Journal of Physical Oceanography 25(12), pp.3148-3171.
- J.F. Price, R.A. Weller et R. Pinkel, 1986 · "Diurnal cycling: Observations and models of the upper ocean response to diurnal heating, cooling and wind mixing" · Journal of Geophysical Research 91, pp.8411-8427.
- J.G. Richman, R. deSzoeke et R.E. Davis, 1987 · "Measurements of near-surface shear in the ocean" · Journal of Geophysical Research 92, pp.2851-2858.
[modifier] Voir aussi
[modifier] Articles connexes
[modifier] Liens Externes
- (fr)Écoulement en équilibre par le département de sciences de la Terre et de l'atmosphère de l'UQAM
- Les Transferts d'énergie océan - atmosphère par le Ministère de l'Éducation nationale de France
- Glossaire de termes météorologiques: La ciruclation d'Ekman de Météo-France
- (en) Glossaire de termes météorologiques de l'American Meteorological Society: description mathématique
