Glossaire

frottement

Lorsqu'on entreprend de déplacer un objet posé à même le sol et en état de parfait équilibre statique par rapport à celui-ci, un effort plus ou moins intense est néanmoins à déployer pour mouvoir horizontalement cet objet, en raison du phénomène de frottement que le sol exerce alors sur lui : ce phénomène se caractérise par l'apparition d'une force de résistance mécanique, la force de frottement, liée à la forme (macroscopique et microscopique) et à la nature matérielle des surfaces de l'objet et du sol sous-jacent à l'endroit de leur contact ; cette force s'oppose au mouvement de l'objet et redevient nulle dès que celui-ci a cessé.

Une zone d'un fluide tel que l'eau ou l'air, lorsqu'elle est en mouvement par rapport à une zone contiguë dont elle diffère nettement par certaines propriétés physiques, voit surgir elle aussi une force qui s'oppose à son mouvement tant que celui-ci perdure : bien que cette force de résistance ait généralement des origines plus complexes que celle qui s'applique à un objet traîné sur le sol — elle est davantage associée, en fait, à l'existence de turbulences dynamiques et thermiques dans l'écoulement fluide — , on l'appelle aussi, par extension, une force de frottement. Cette force s'applique d'abord aux parcelles de fluide proches de la surface de séparation entre les deux zones, puis son effet se fait sentir au sein d'une couche limite incluse dans le volume de fluide considéré et attenante à la zone contiguë, laquelle développe aussi, si elle est fluide, une couche limite ; une structure en couches souvent superposées, et variable selon les propriétés physiques étudiées, assure ainsi la transition entre le mouvement perturbé autour de la surface de "friction" et le mouvement général du fluide. Il est à noter que le frottement, à très petite échelle, peut être considéré comme existant également à l'intérieur même du fluide, où il se manifeste par la plus ou moins grande viscosité de son écoulement.

Le frottement atmosphérique à même le sol s'associe à la rugosité de la surface terrestre, qui est déclenchée par les irrégularités géométriques de cette surface ainsi que par les inégalités de répartition de sa température, et qui entretient de fortes turbulences dans le flux d'une couche d'air adjacente nommée la sous-couche rugueuse. Celle-ci, très mince au-dessus de l'océan, constitue la pellicule inférieure de la couche de surface, elle-même surmontée par la couche d'Ekman : l'union de ces deux couches limites forme la couche limite planétaire, où les effets du frottement se répercutent de façon sensible sur la vitesse et la direction du vent ; ces effets ne se dissipent que dans l'atmosphère libre, au-dessus d'une hauteur variable suivant la forme et la nature de la surface sous-jacente, mais qui reste de l'ordre de 1 500 m.

L'influence de la force de Coriolis devient de plus en plus faible à mesure que l'on descend en altitude dans la couche limite planétaire, jusqu'à devenir négligeable à l'intérieur de la couche de surface ; dans la couche d'Ekman, la diminution vers le bas de cette influence induit une déviation de plus en plus prononcée de la direction du vent vers la gauche dans l'hémisphère Nord, vers la droite dans l'autre hémisphère : ainsi le vent observé en arrive-t-il à dessiner, au voisinage de la surface terrestre, un angle de 15 à 20° sur l'océan, et de 30 à 40° en plaine, par rapport au vent géostrophique tangent aux lignes isobares (dans les régions montagneuses, la topographie bouscule souvent ces dispositions) ; en même temps, la vitesse du vent marque un affaiblissement par rapport au vent géostrophique, de l'ordre du tiers sur l'océan, de la moitié en plaine. De par l'effet du frottement en surface, le champ de vent au niveau moyen de la mer se tourne donc vers les basses pressions, de sorte que ses vecteurs, coupant par leurs axes les lignes isobares, pénètrent dans les dépressions et "sortent" au contraire des anticyclones.