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.