Sur les traces des ouragans

Les journaux ici ne parlent que du nouvel ouragan, Wilma, qui s'abat
présentement sur les côtes du Mexique, après avoir frappé Cuba, il y a
quelques jours. C'est déjà le douzième, à se former près du golfe du
Mexique, un record des 35 dernières années!  Au-delà de ces
chiffres et des conséquences dramatiques de ces ouragans, comme
physicien, je ne peux m'empêcher d'être fasciné par le processus à
l'origine des ouragans, ce transfert d'énergie terrifiant de l'océan à
l'atmosphère.

On peut comprendre ce phénomène à l'aide d'un modèle très simple, la
cellule de Bénard, introduite il y a une centaine d'années. Supposons
que nous avons une boîte rectangulaire, large et très mince, remplie de
liquide. Que fera le liquide, si on chauffe le bas et on refroidit le
haut de la boîte? Si la différence de température entre le haut et le
bas n'est pas trop forte, le transfert de chaleur se produit de proche
en proche et le liquide de bouge pas beaucoup. Lorsqu'on augmente la
différence et qu'on atteint une valeur bien précise, qui dépend de la
forme de la boîte et du liquide utilisé, la chaleur n'a plus le temps
de diffuser du bas vers le haut simplement par contact, et le liquide
commence à bouger. Puisque le liquide chaud est moins dense que le
liquide froid, le premier va s'élever et le deuxième, descendre. Pour
ce faire, le système doit créer un chemin permettant au liquide de
monter et un autre pour lui permettre de descendre, formant des
tourbillons dans le plan, aussi appelé cellule de convection. Le
liquide passe donc d'un état statique à une phase dynamique formée de
petits tourbillons placés côte à côte dans la boîte et permettant la
circulation du liquide.  

Je trouve ce phénomène de déstabilisation fascinant. Le système est
d'abord bien tranquille, le liquide dans la cellule est presque
immobile. D'un coup, une instabilité se crée et le liquide s'organise
en tourbillons. Afin d'améliorer le transfert d'énergie de la paroi du
bas à celle du haut de la boîte, le système en transforme, de lui-même,
une petite partie en énergie mécanique (puisque l'eau tourne), qui
pourrait être utilisée pour faire tourner une roue, par exemple. Ce
n'est pas un moteur très efficace, mais c'est un moteur qui se crée de
lui-même!  Attention, ce n'est pas un mouvement perpétuel,
toutefois, car il faut fournir de l'énergie afin de maintenir la
différence de température entre le haut et le bas.

C'est la même chose avec un ouragan. Lorsque la température de l'eau
dans l'Atlantique dépasse 26 degrés Celsius, un phénomène de convection
se produit. L'eau s'évapore en vapeur chaude qui s'élève rapidement
laissant la place pour que l'air plus froid s'y engouffre. Celui-ci est
chauffé à son tour et une cellule de convection verticale se crée.
Cette cellule est large, plusieurs km au moins, assez pour être
affectée par la rotation de la terre : puisqu'un point à l'équateur se
déplace plus vite qu'un point quelques degrés au nord ou au sud de
celui-ci, la cellule de convection se met à tourbillonner sur
elle-même, dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, créant
l'ouragan. Malgré la vitesse des vents associée avec cette rotation,
l'ouragan se déplace généralement assez lentement suivant les courants
d'eau chaude. Les détails de sa trajectoire sont encore inconnus et
l'ouragan peut rapidement changer de direction sans qu'on sache
vraiment pourquoi.

Au-delà de ces questions et tout comme la cellule de Bénard, un ouragan
est une machine redoutable, qui puise son énergie dans la différence de
température entre la surface de l'océan et l'atmosphère et en transfère
une partie, à peu près 3 pour cent, en énergie mécanique, les vents.
Ainsi, lorsque l'eau s'évapore, il y a un transfert d'énergie de
l'océan vers l'atmosphère (ou l'ouragan). L'eau se refroidit donc. Pour
qu'un ouragan puisse se former, il faut donc que le réservoir d'eau
chaude soit suffisamment grand pour soutenir la convection. En général,
il semble qu'un ouragan ne puisse se former que si la température de
l'océan dépasse 26 degrés Celsius sur au moins 50 m de profondeur.

L'énergie transférée de l'océan à l'ouragan est astronomique. Pour un
cyclone moyen, elle serait suffisante pour éclairer et chauffer tous
les Canadiens durant 150 ans! Même en ne considérant que l'énergie
mécanique contenue dans le mouvement du vent, un ouragan fournirait
assez d'énergie pour combler durant 5 ans les besoins des Canadiens en
électricité.  Il ne nous reste plus qu'à apprendre à harnacher
cette énergie...

Cellule de Bénard

Ce site montre un film intéressant qui montre le phénomène de
déstabilisation.

Encore Wikipédia, que voulez-vous, j'aime bien ce site. Comme vous
pouvez voir, la cellule de Bénard peut aussi devenir chaotique. Mais
c'est une autre histoire.

Les ouragans

Commençons par Wikipédia, qui décrit en détails ce phénomène, historique, etc.
Et par une site dédié à ces phénomènes.