couche limite planétaire

La plus notable des couches limites qui se constituent au contact de l'atmosphère avec le sol ou l'eau couvrant la surface de la Terre provient de l'apparition et de l'influence de forces de frottement horizontales : celles-ci, en s'opposant au mouvement de l'air tel que le maintiendrait l'équilibre du vent géostrophique, modifient fortement les déplacements horizontaux et verticaux et les échanges de matière et d'énergie à l'intérieur d'une couche limite planétaire (encore dite couche limite de frottement ) dont l'épaisseur, assez variable suivant la nature de la surface sous-jacente, reste de l'ordre de 1 500 mètres.

L'étude théorique de cette tranche d'atmosphère, tout comme les mesures des caractéristiques de la basse troposphère effectuées sur le terrain, tendent à présenter en fait la couche limite planétaire comme la superposition de deux couches dont les épaisseurs sont très inégales : la couche inférieure ou couche de surface est plaquée à même la mer ou la terre ferme et présente une épaisseur qui ne dépasse pas le dixième de celle de l'ensemble de la couche limite (elle peut aller de 10 à 100 m, avec une moyenne de l'ordre d'une cinquantaine de mètres) ; au-dessus de la couche précédente, et jusqu'au sommet de la couche limite planétaire, s'étend la couche d'Ekman (d'après le nom du physicien suédois Walfrid Ekman [1874-1954]). Dans cette couche-ci, l'influence exercée sur le vent par la rotation quotidienne de la Terre se perpétue comme dans l'atmosphère libre, mais devient de moins en moins prépondérante par rapport à l'influence du frottement à mesure que diminue la hauteur au-dessus du sol ou de la mer : il en résulte de façon conjuguée, selon la verticale, une rotation de la direction du vent et une décroissance de sa vitesse ; dans la couche de surface, où seule demeure l'influence du frottement, le vent garde une direction à peu près fixe tandis que sa vitesse décroît en même temps que la hauteur, d'abord modérément, puis de plus en plus vivement à mesure que l'on se rapproche de la surface terrestre.

Soulignons que l'étude des échanges de matière, d'énergie et de mouvement se produisant au sein de la couche limite planétaire joue un rôle important dans la mise au point des modèles numériques de prévision météorologique : en précisant les normes de paramétrisation intégrées à ces modèles, une telle étude contribue à fournir les outils nécessaires pour déterminer à chaque instant de la prévision les conditions aux limites sans lesquelles l'algorithme associé à un modèle ne pourrait progresser dans le temps sur le domaine spatial de prévision choisi, dont la surface terrestre constitue l'une des limites.

Lorsqu'on suit sur une verticale donnée et à un instant fixé, du sommet à la base de la couche d'Ekman, l'évolution spatiale de la direction et de la vitesse du vent symbolisées par une flèche ou vecteur ayant pour origine le pied A de la verticale, on constate que la pointe de la flèche tend à décrire un arc de spirale rentrante dans le sens inverse des aiguilles d'une montre pour l'hémisphère Nord, dans le sens opposé pour l'hémisphère Sud : cette observation est certes à nuancer (d'autres critères entrent en jeu, en particulier la répartition verticale de la température), mais elle montre bien que l'influence du frottement prend de plus en plus le pas sur celle de la rotation de la Terre autour de l'axe des pôles — matérialisée par la force de Coriolis — à mesure que l'on perd de l'altitude en quittant les limites de l'atmosphère libre où souffle un vent très proche du vent géostrophique ; cette augmentation relative de l'influence du frottement se traduit par une déviation progressive de la direction du vent (vers la gauche dans l'hémisphère Nord, vers la droite dans l'hémisphère Sud) et par une décroissance également progressive de sa vitesse.

La couche de surface

Dans la couche de surface, l'influence de la force de Coriolis devient négligeable et la direction du vent demeure sensiblement constante, ce qui n'est pas le cas de sa vitesse : celle-ci, à un instant donné, présente un profil dépendant là encore de la stratification thermique, mais qui va toujours croissant d'une valeur nulle à la valeur acquise à la base de la couche d'Ekman lorsqu'on s'élève depuis la surface terrestre suivant la verticale de A ; cette croissance, très rapide dans les premiers mètres, devient ensuite beaucoup moins intense. En réalité, si l'on se place à plus petite échelle, on peut distinguer à la base de la couche de surface une sous-couche rugueuse , d'épaisseur infime au-dessus de l'océan — moins de 1 mm — , mais capable d'atteindre sur certaines natures de sol plusieurs décimètres ou même plusieurs mètres, en particulier dans les zones urbaines ; cette sous-couche se caractérise principalement par une forte turbulence, aussi bien dynamique que thermique.

On voit ainsi pourquoi il est nécessaire de placer les anémomètres sur des mâts de 10 m de hauteur et dans des lieux bien dégagés pour mesurer la vitesse du vent près du sol, qui est en fait la vitesse moyenne du vent dans la couche de surface ; de même peut-on remarquer que les rotors des éoliennes doivent être placés le plus haut possible au-dessus du sol, puisque l'énergie que produisent ces dernières est à peu près proportionnelle au cube de la vitesse du vent, laquelle, dans la couche limite planétaire, est à chaque instant toujours croissante avec la hauteur.