Glossaire

convection

  Curieux  

Dans un sens général, plus large que ceux auxquels se restreint la météorologie, la convection désigne l'ensemble des mouvements internes qui animent un fluide et qui impliquent par conséquent le transport des propriétés des parcelles de ce fluide au cours de son déplacement. En météorologie, cependant, les caractéristiques des mouvements de l'atmosphère sont profondément différentes suivant que l'on envisage le transport horizontal des propriétés de l'air ou leur transport vertical : le premier concerne couramment des trajets de plusieurs centaines ou plusieurs milliers de kilomètres et est gouverné en premier lieu par la pression atmosphérique qui détermine le champ de vent, alors que le second, pratiquement limité à l'épaisseur de la troposphère — soit une dizaine à une vingtaine de kilomètres d'altitude — , est d'abord lié aux répartitions verticale et horizontale de la température et aux phénomènes d' instabilité qui peuvent en résulter. C'est pourquoi, au sens météorologique, l'emploi du terme "convection" se limite au transport vertical des propriétés de l'air, le transport horizontal desdites propriétés étant désigné par un autre terme : l'advection (il s'agit en fait de l'advection horizontale ).

En réalité, il est très usuel en météorologie de ne recourir à ce terme de convection que dans un sens encore plus restreint, celui des mouvements verticaux ayant pour seule origine un profil vertical de température générateur d'instabilité (du fait de ce genre de profil, la poussée d'Archimède, qui tire la parcelle d'air vers le haut, excède le poids de la parcelle, qui l'entraîne vers le bas). Du reste, cette catégorie d'instabilité est appelée instabilité convective, et les processus ou les phénomènes qu'elle est capable de générer à certaines échelles spatio-temporelles sont qualifiés tout simplement de convectifs ; ils sont pourtant loin de représenter l'ensemble des processus et des phénomènes caractérisés par des mouvements verticaux : mais c'est parmi eux que se trouvent des phénomènes clés de la météorologie, comme par exemple les brises , les orages , les cyclones tropicaux ou les moussons, d'où cet emploi ambivalent du mot "convection", qui désigne plus spécifiquement les nombreux cas de transport vertical combinant une organisation apparente du mouvement de l'air et une difficulté de représentation de ce mouvement à l'échelle du modèle numérique de prévision ou d'étude utilisé (la convection est ainsi associée très fréquemment à la turbulence).

Dans son sens général comme dans ses acceptions particulières, la convection est connue pour constituer, avec la conduction et le rayonnement, l'un des trois modes d'échange de chaleur entre deux systèmes donnés (physiques, chimiques ou biologiques), soit que des parcelles de fluide apportent de la chaleur au contact du système plus froid — qui peut être une autre région du fluide — après être parties d'une zone du fluide éloignée de ce système, soit que le mouvement du fluide serve d'intermédiaire entre deux systèmes qui ne sont pas en contact l'un avec l'autre. Notons par ailleurs que lors du processus de convection, un accroissement de vitesse du fluide favorise les possibilités de transformation d'un écoulement laminaire en écoulement turbulent, générant alors une convection turbulente qui facilite considérablement les échanges de propriétés entre couches voisines du fluide et en particulier la diffusion de la chaleur au sein de celui-ci.


  Initié  

En son sens météorologique le plus restreint, est qualifié de convection, dans une zone atmosphérique, tout processus de transport vertical des propriétés de l'air entretenu par une ascendance due à la présence d'une instabilité convective ; cette ascendance peut être ou non complétée par l'apparition de courants descendants formant avec elle une structuration plus ou moins complexe de la zone concernée. Le plus simple de ces processus de convection résulte du réchauffement différentiel produit par le rayonnement solaire sur la surface terrestre et transmis par elle aux parcelles d'air sus-jacentes, dont les masses volumiques respectives se modifient alors les unes par rapport aux autres, ce qui génère des courants ascendants au-dessus des aires relativement plus chaudes (tel est aussi le cas d'une circulation d'air générée dans une pièce par un radiateur). Ce genre de convection naturelle ressortit aux processus de convection libre, à la différence des processus de convection forcée, dans lesquels la convection — au sens restreint ou non — est entretenue au moins partiellement par des facteurs mécaniques, comme le déplacement des parcelles d'air par le vent le long d'une pente ascendante (tel est aussi le cas d'un déplacement vertical d'air obtenu dans une pièce grâce à un ventilateur).

La convection sèche, où l'air transporté n'est pas saturé, se mue en une convection humide dès que la détente subie par les parcelles d'air au cours de leur ascension s'est accompagnée d'un refroidissement interne suffisant pour atteindre le point de condensation et assurer la naissance et le développement de nuages : suivant le profil vertical de température, certains d'entre eux voient alors leur expansion limitée verticalement et se déploient plutôt à l'horizontale dans une seule couche atmosphérique ou quelques couches superposées — c'est le cas des cirrocumulus, des altocumulus, des stratocumulus — tandis que d'autres, bénéficiant d'une plus grande continuité dans l'étendue verticale de l'instabilité convective, forment à proprement parler les nuages convectifs ou nuages de convection — c'est le cas des cumulus et surtout des cumulonimbus porteurs d'orages, dans lesquels les phénomènes de convection atteignent une vigueur exceptionnelle.


La convection thermique aux différentes échelles

La constitution de nuages à fort développement vertical est souvent causée ou favorisée par la convection thermique, dans laquelle l'air, chauffé à sa base par un domaine de la surface terrestre (ou moins refroidi à sa base qu'il ne l'est au contact des domaines avoisinants), se met à être transporté verticalement à travers des basses couches rendues instables. Surtout caractéristique des échelles moyennes, ce mode de convection se retrouve néanmoins sur un large spectre d' échelles spatio-temporelles :
 

  • Parmi les processus de convection thermique des petites échelles figurent les thermiques, mais aussi les trombes et tornades, qui constituent les phénomènes convectifs les plus spectaculaires et les plus dangereux : dans de tels cas, la convection se résume à un courant ascendant en déplacement rapide, à la différence de la structure convective plus complexe qui l'entretient ;

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  • Les échelles moyennes sont représentées par les brises et surtout par les orages, qui sont le type de phénomène le plus important et le plus caractéristique de la convection thermique ; se rattachent aussi aux échelles moyennes les lignes de grains. Dans le cas des cellules convectives et de structures encore plus complexes appartenant à ces échelles, tels certains systèmes convectifs orageux, la convection semble s'organiser en un processus bien différencié et capable de "vivre" en s'entretenant lui-même pendant plusieurs heures ;

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  • L'échelle subsynoptique et l'échelle synoptique, enfin, voient se développer les systèmes dépressionnaires tropicaux — avec, au premier chef, les cyclones tropicaux — ainsi que certaines perturbations extratropicales qui relèvent davantage de l'instabilité convective que de l'instabilité barocline, comme il arrive parfois en Méditerranée. D'autre part, au-dessus de l'Europe de l'Ouest, les perturbations nord-atlantiques, bien que dues à l'instabilité barocline (et non pas convective), peuvent toutefois véhiculer des circulations convectives dans leurs fronts froids et dans leurs traînes.

 

La convection thermique influe très notablement sur l'équilibre thermique vertical de la planète en "lissant" la diminution moyenne de température que l'effet de serre impose à la troposphère à mesure que l'on s'y élève, diminution qui, sans ces mécanismes convectifs, serait plus abrupte et frapperait en outre la température moyenne de la surface terrestre d'une valeur bien plus forte. Mais ce genre de convection n'est pas le seul à se manifester dans l'atmosphère : à l'échelle globale (celle de la Terre entière), le gigantesque processus provoquant la montée de l'air équatorial humide dans la zone de convergence intertropicale et entretenant de façon cyclique les cellules de Hadley est de nature convective, de même que les régimes climatiques de mousson attenants, qui présentent certaines analogies — à une tout autre échelle spatio-temporelle — avec les régimes de brise.