Vent thermique

Direction du vent thermique est parallèle aux isothermes de température moyenne dans la couche et donc au gradient de température.

Si on prend une température moyenne dans la couche entre ${\displaystyle p_{0}}$ et ${\displaystyle p_{1}}$ comme ${\displaystyle {\bar {T}}}$, l'équation pour le vent thermique devient[2] :

${\displaystyle {\vec {V}}_{T}=-{\frac {R}{f}}\left({\vec {k}}\times {\vec {\nabla }}{\bar {T}}\right)_{p}ln\left({\frac {p_{1}}{p_{0}}}\right)}$

ou sous forme différentielle

${\displaystyle {\frac {\partial {\vec {V}}_{G}}{\partial z}}={\frac {g}{fT}}\left({\vec {k}}\times {\vec {\nabla }}T\right)_{p}}$

Remarque:les différentiations étant à pression constante, on peut aussi écrire la formule en fonction de la température potentielle.

${\displaystyle \rightarrow }$ Le vent thermique est donc perpendiculaire au gradient de T, avec les températures les plus basses à gauche dans l'hémisphère nord (à droite dans celle du sud).

Ou si on transforme cette équation en utilisant le géopotentiel[3] - [4] : ${\displaystyle \Phi =\int _{0}^{h}g(\phi ,z)\,dz\,\qquad {\begin{cases}g(\phi ,z)=acc{\acute {e}}l{\acute {e}}ration\ de\ la\ gravit{\acute {e}}\ locale\\z=hauteur\ par\ rapport\ au\ niveau\ moyen\ des\ mers\end{cases}}}$

Ce qui donne :

${\displaystyle {\vec {\mathbf {V} }}_{T}={\frac {{\vec {\mathbf {k} }}\times {\vec {\nabla }}(\Phi _{1}-\Phi _{0})}{f}}}$

${\displaystyle \rightarrow }$ Le vent thermique est donc perpendiculaire au gradient ${\displaystyle \Phi }$, avec le géopotentiel le plus bas à gauche dans l'hémisphère nord (à droite dans celle du sud).

Nota : Le vent thermique est indéterminé près de l'équateur puisque ${\displaystyle \,f}$ y est nul et que ${\displaystyle V_{T}}$ devient infini.

Coupe verticale des températures et des vents à travers un front. On remarque la bande de vents forts du courant-jet qui a est dû à la variation de température le long d'un front. Le vent thermique est le calcul de la variation du vent avec l'altitude dans le jet.

Selon la définition ci-dessus, une masse d'air où la variation de température avec l'altitude est la même partout n'aura aucun vent thermique. Le vent sera le même à toutes les altitudes, c'est ce qu'on appelle une masse d'air barotrope. Par contre, lorsqu'il y a une variation de la température moyenne quand on se déplace selon x ou y, cela implique que le vent variera avec l'altitude et c'est alors une atmosphère barocline[5].

Dans la réalité, il y a généralement des contrastes thermiques dans l'atmosphère. En effet, les pôles et l'équateur ne sont pas réchauffés de la même façon par le Soleil à cause de l'angle d'incidence des rayons solaires. Comme les températures les plus froides sont aux pôles et les plus chaudes à l'équateur, le gradient de températures est dirigé vers l'équateur. Par la définition du vent thermique, il va suivre la perpendiculaire à ce gradient (les isothermes) et être de direction générale d'ouest vers est[5]. Cependant, la distribution de température n'est pas uniforme à cause des mouvements de l'air et le vent thermique se repère donc facilement sur une carte météorologique par les zones où la températures change rapidement : les zones frontales. La frontogénèse est le processus de formation ou d'intensification de ces fronts, associé au vent thermique[6].

Dans ces zones, le vent change rapidement avec l'altitude et donne naissance au courant-jet[5]. Cependant, à la tropopause, la température devient stable avant de réchauffer dans la stratosphère. Comme la tropopause est plus basse aux pôles qu'à l'équateur, le vent thermique change donc de direction à ce niveau car la température se réchauffe plus rapidement au nord ce qui inverse le gradient de température et donc le vent thermique. C'est ce qui forme le sommet du courant-jet.

Advection froide à gauche et chaude à droite dans l'hémisphère nord.

Si le vent géostrophique tourne avec l'altitude, il transporte de l'air d'une certaine température depuis une zone vers une autre qui a une température différente. Il s'agit d'advection chaude ou froide selon le cas. Ceci change la distribution thermique et naturellement crée un vent thermique.

Une advection d'air chaud par le vent géostrophique va donc créer un gradient thermique perpendiculaire au vent et donc un vent thermique vers l'est ce qui cause une rotation dextrogyre des vents en altitude. L'inverse se produit pour une advection froide.

• Vent géostrophique
• Équations primitives atmosphériques

• « Le principe du vent thermique », sur École normale supérieure de Lyon