E6 Ondes Atmosphériques - Internes et Gravité

Topique

Les ondes de gravité atmosphériques sont des perturbations qui se produisent car, dans l'air stratifié, la poussée d'Archimède agit comme une force de rappel : toute parcelle d'air déplacée verticalement de sa position d'équilibre subit cette poussée, et ce mouvement de va-et-vient entre le déplacement et la force de rappel est à l'origine de l'onde. Les ondes de gravité atmosphériques existent à la fois dans la troposphère et la stratosphère, et sont générées de trois manières différentes : par convection, par la topographie du terrain ou par l'ajustement géostrophique du flux. La fréquence d'oscillation de ces ondes de gravité atmosphériques est fixe : elle est bornée entre la fréquence de Coriolis, qui marque la limite basse fréquence, et la fréquence de Brunt-Vaisälä, qui marque la limite haute fréquence.

L'une des trois manières dont les ondes de gravité atmosphériques sont générées – par le relief du terrain – est celle des ondes orographiques. Celles-ci se produisent lorsqu'un flux d'air horizontal rencontre et est perturbé par la topographie. Si l'écoulement rencontrant la topographie est stable et d'intensité modérée, cette perturbation se répartit en deux types d'ondes : certaines ondes de gravité sont piégées près de la surface, formant ce que l'on appelle les ondes de Lee, tandis que d'autres se propagent verticalement vers le haut, s'éloignant de la montagne dont elles sont issues.

Les ondes se propageant verticalement ne conservent pas une amplitude constante : à mesure que la densité de l'air diminue avec l'altitude, l'amplitude de l'onde doit augmenter pour conserver la même énergie, jusqu'à devenir si importante que les surfaces isentropiques qu'elle déforme finissent par se replier sur elles-mêmes. À ce stade, l'onde déferle et, en déferlant, elle dépose toute la quantité de mouvement qu'elle transportait dans cette région de l'atmosphère. Ce dépôt de quantité de mouvement est à l'origine du freinage des ondes orographiques, un effet de freinage que les modèles numériques doivent paramétrer et qui ralentit les jets de vent traversant cette même région.

Ce même dépôt d'impulsion, multiplié par toutes les ondes de gravité atmosphériques qui se rompent en différents lieux et à différentes altitudes, fait de ces ondes le principal mécanisme de transport d'impulsion de la troposphère vers la stratosphère et la mésosphère. Ce transport est crucial pour l'équilibre de la circulation moyenne de l'atmosphère moyenne : sans le dépôt d'impulsion par les ondes de gravité atmosphériques lors de leur rupture, cette circulation moyenne perdrait une part essentielle de son équilibre.

Précisément parce que les ondes de gravité atmosphériques sont si importantes pour cet équilibre, l'incapacité à les représenter avec précision dans un modèle global constitue un problème majeur : leur échelle horizontale, comprise entre dix et cent kilomètres, est inférieure à la résolution typique des modèles de prévision globaux. Par conséquent, aucun modèle global ne les résout directement et elles doivent toutes être paramétrées, de la même manière que l'effet de freinage des ondes orographiques lors de leur rupture. Ainsi, les ondes de gravité atmosphériques — nées de la poussée d'Archimède qui les rétablit, générées par la convection, l'orographie ou l'ajustement géostrophique, et capables de se briser et de déposer leur quantité de mouvement loin de leur origine — restent, malgré leur petite taille, une composante indispensable du bilan de quantité de mouvement de toute la moyenne atmosphère.

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