Hadley, Ferrel et la cellule polaire : la machine à vents de la Terre

Prenez un planisphère et cherchez les grands déserts chauds de la planète. Le Sahara, le désert d'Arabie, le Thar entre l'Inde et le Pakistan, les déserts du sud-ouest des États-Unis et du nord du Mexique. Puis, dans l'hémisphère Sud, l'Atacama au Chili, le Kalahari et le Namib en Afrique australe, et le grand désert australien. Une curiosité saute aux yeux : ils sont presque tous alignés autour de la même latitude, à peu près 30° au nord ou 30° au sud de l'équateur.

Autre curiosité, cette fois du côté des marins. Depuis des siècles, les navigateurs qui traversent l'équateur redoutent une zone qu'ils appellent le « pot au noir » : un ciel lourd, des orages violents, et surtout des vents qui tombent pendant des jours, laissant les voiliers immobiles. Les skippers du Vendée Globe en parlent encore à chaque édition. À l'inverse, un peu plus au nord et un peu plus au sud, soufflent des vents si réguliers que les navires marchands les ont empruntés pendant des siècles pour traverser les océans : les alizés.

Des déserts alignés, une zone sans vent à l'équateur, des vents réguliers sous les tropiques. Ces trois phénomènes, qui semblent n'avoir aucun rapport entre eux, sont en réalité les manifestations d'un seul et même mécanisme : une gigantesque boucle d'air qui tourne en permanence entre l'équateur et les tropiques, la cellule de Hadley. Et elle n'est pas seule : deux autres boucles prennent le relais jusqu'aux pôles, et l'une d'elles conditionne directement la météo que nous connaissons en France.

Cet article propose de comprendre comment fonctionne cette machinerie, en partant d'une idée très simple : le Soleil ne chauffe pas la Terre de la même façon partout.

Le moteur : un Soleil qui chauffe inégalement

Tout commence par une question de géométrie. La Terre est une sphère, et les rayons du Soleil lui arrivent pratiquement parallèles entre eux. À l'équateur, ils frappent le sol presque à la verticale, du moins en moyenne sur l'année. Plus on monte vers les pôles, plus ils arrivent de biais, jusqu'à raser l'horizon.

Or un faisceau de lumière qui arrive de biais s'étale sur une surface plus grande. C'est exactement ce qui se passe quand on éclaire un mur avec une lampe de poche : face au mur, on obtient un petit cercle très lumineux ; en inclinant la lampe, la tache s'allonge et devient plus pâle. La quantité de lumière est la même, mais elle est répartie sur une surface plus large, donc chaque mètre carré en reçoit moins.

À cela s'ajoute un second effet : près des pôles, les rayons traversent une épaisseur d'atmosphère beaucoup plus importante avant d'atteindre le sol, et une partie de leur énergie est absorbée ou renvoyée en chemin. Sans compter la glace et la neige, très claires, qui réfléchissent une bonne partie de la lumière reçue vers l'espace.

Résultat : en moyenne sur l'année, l'équateur reçoit plus du double de l'énergie solaire qui arrive aux pôles. Les tropiques accumulent donc un excédent de chaleur, et les régions polaires un déficit. Si rien ne venait corriger ce déséquilibre, l'équateur ne cesserait de se réchauffer et les pôles de se refroidir. Ce n'est pas le cas : les températures restent globalement stables d'une année sur l'autre. Il existe donc un mécanisme qui transporte en permanence de la chaleur de l'équateur vers les pôles.

Ce transport est assuré par deux grands « tapis roulants » : les courants océaniques d'une part, et la circulation de l'atmosphère d'autre part. C'est cette dernière qui nous intéresse ici.

À l'équateur, l'air chaud s'élève

Tout le monde a déjà observé que l'air chaud monte. Au-dessus d'un radiateur, l'air réchauffé s'élève et fait onduler les rideaux ; une montgolfière décolle parce que l'air chauffé dans son enveloppe est plus léger que l'air environnant. La raison est simple : en se réchauffant, l'air se dilate, devient moins dense, et il est poussé vers le haut par l'air plus froid et plus lourd qui l'entoure.

À l'équateur, ce phénomène se produit à une échelle colossale. Le sol et surtout les océans, chauffés en permanence, réchauffent l'air qui est à leur contact. Cet air est aussi très humide, car l'évaporation y est intense. Il s'élève donc, sur une large bande qui fait le tour de la Terre.

En montant, l'air rencontre une pression plus faible, se détend et se refroidit, d'environ un degré par centaine de mètres tant qu'il reste sec. Or l'air froid ne peut pas contenir autant de vapeur d'eau que l'air chaud. Arrivée à une certaine altitude, la vapeur se condense en gouttelettes : des nuages se forment. Et pas n'importe lesquels : d'immenses cumulonimbus, ces nuages d'orage qui peuvent s'élever jusqu'à 15 kilomètres et plus. En se condensant, la vapeur libère en outre de la chaleur, ce qui réchauffe l'air et l'aide à monter encore plus haut. C'est un véritable moteur qui s'auto-entretient.

Cette bande nuageuse et orageuse qui ceinture la planète porte un nom : la zone de convergence intertropicale, souvent abrégée en ZCIT. « Convergence », parce que c'est là que les vents venus du nord et du sud se rejoignent. On la voit très bien sur les images satellites, sous la forme d'un chapelet de nuages blancs à proximité de l'équateur. C'est elle qui apporte les pluies abondantes de la forêt amazonienne, du bassin du Congo ou de l'Indonésie.

Et c'est aussi le fameux pot au noir des marins. Puisque l'air y monte au lieu de se déplacer horizontalement, les vents de surface y sont faibles et capricieux, entrecoupés de grains violents. Pour un voilier, c'est le pire des mélanges : pas de vent pour avancer, puis soudain des rafales et des trombes d'eau.

La boucle complète : la cellule de Hadley

L'air qui s'élève à l'équateur ne peut pas monter indéfiniment. Vers 15 à 17 kilomètres d'altitude, il rencontre une sorte de couvercle : la tropopause, la limite entre la troposphère, où se produit toute notre météo, et la stratosphère située au-dessus, où la température cesse de baisser avec l'altitude. Bloqué, l'air n'a d'autre choix que de s'étaler horizontalement, vers le nord dans l'hémisphère Nord et vers le sud dans l'hémisphère Sud.

Suivons une particule d'air partie de l'équateur vers le nord. Là-haut, elle a déjà perdu presque toute son humidité, tombée sous forme de pluie au-dessus de l'équateur. Elle continue de se refroidir en rayonnant sa chaleur vers l'espace, ce qui la rend plus dense, donc plus lourde. Et dans le même temps, elle s'accumule avec l'air qui arrive derrière elle. Vers 30° de latitude, elle finit par redescendre vers le sol.

Cette descente est la clé de l'énigme des déserts. En redescendant, l'air est comprimé par la pression croissante, et cette compression le réchauffe, exactement comme une pompe à vélo chauffe quand on gonfle un pneu. Un air qui se réchauffe peut contenir de plus en plus de vapeur d'eau sans la condenser : non seulement il ne forme pas de nuages, mais il a tendance à dissoudre ceux qui pourraient exister. Comme il était déjà très sec, il arrive au sol chaud et assoiffé. Résultat : ciel dégagé presque toute l'année, ensoleillement intense, pluies quasi inexistantes. Les conditions idéales pour fabriquer un désert.

Cet air qui descend forme au sol une ceinture de hautes pressions, celle des anticyclones subtropicaux. Le plus connu des Européens est l'anticyclone des Açores, qui conditionne une bonne partie de nos étés. Là encore, les vents y sont souvent faibles : les marins d'autrefois appelaient cette zone les « latitudes des chevaux ». Selon une explication souvent racontée mais difficile à vérifier, les navires encalminés y auraient jeté leurs chevaux à la mer, faute d'eau douce pour les abreuver.

Une fois au sol, l'air doit bien aller quelque part. Une partie repart vers l'équateur, attirée par les basses pressions laissées par l'air qui s'y élève. Ce flux de retour, qui rase la surface de la mer, ce sont les alizés. En chemin, il se recharge en chaleur et en humidité au contact de l'océan, et il arrive à l'équateur prêt à s'élever de nouveau. La boucle est bouclée.

Il y a donc deux cellules de Hadley, une dans chaque hémisphère, qui fonctionnent comme deux tapis roulants accolés à l'équateur. Leur fonctionnement rappelle celui d'une casserole d'eau sur le feu : l'eau chauffée au fond monte au centre, s'étale en surface, refroidit et redescend sur les bords. Les physiciens parlent de cellule de convection, et plus précisément de cellule « thermiquement directe » : c'est directement la différence de température qui la fait tourner, l'air chaud montant d'un côté et l'air plus froid descendant de l'autre.

Au passage, cette boucle remplit bien la mission évoquée plus haut : elle emporte la chaleur de l'équateur vers les tropiques. Une partie de cette chaleur voyage d'ailleurs sous une forme cachée, la vapeur d'eau, qui restitue l'énergie empruntée à l'évaporation lorsqu'elle se condense en nuages.

Pourquoi les vents ne soufflent pas tout droit

Si l'on s'en tenait à ce que nous venons de décrire, les alizés devraient souffler tout droit du nord vers le sud dans l'hémisphère Nord, et du sud vers le nord dans l'hémisphère Sud. Or ce n'est pas le cas. Dans l'hémisphère Nord, les alizés soufflent du nord-est ; dans l'hémisphère Sud, du sud-est. Ils ont donc une composante qui les pousse vers l'ouest. La raison tient à la rotation de la Terre.

La Terre fait un tour sur elle-même en une journée, d'ouest en est. Mais tous ses points ne se déplacent pas à la même vitesse. Un objet posé sur l'équateur doit parcourir environ 40 000 kilomètres en 24 heures, soit plus de 1 600 km/h. À 30° de latitude, le cercle à parcourir est plus petit, et la vitesse tombe à environ 1 450 km/h. Au pôle, elle est nulle : on se contente de tourner sur place.

Imaginons maintenant une masse d'air qui part de 30° nord vers l'équateur. Elle emporte avec elle la vitesse vers l'est de son point de départ. En arrivant vers l'équateur, elle survole un sol qui file plus vite qu'elle vers l'est. Vue depuis le sol, elle semble donc prendre du retard, c'est-à-dire dériver vers l'ouest. Un vent qui devait venir du nord semble alors venir du nord-est. Dans l'hémisphère Sud, le raisonnement est le même, mais en miroir : le vent qui devait venir du sud vient du sud-est.

Une image aide à se le représenter : imaginez-vous au centre d'un manège qui tourne, en train de lancer une balle à un ami placé sur le bord. Vu depuis le manège, la balle ne file pas tout droit : elle décrit une courbe et manque son destinataire. Pour quelqu'un qui regarde la scène depuis l'extérieur, la balle va pourtant parfaitement droit ; c'est le manège qui a tourné sous elle.

Cet effet de déviation est connu sous le nom de force de Coriolis, du nom de l'ingénieur et mathématicien français Gaspard-Gustave Coriolis, qui l'a décrit mathématiquement en 1835 dans ses travaux sur les systèmes en rotation. Ce n'est pas une vraie force qui pousserait l'air : c'est la conséquence du fait que nous observons le mouvement depuis une planète qui tourne. Elle dévie les mouvements vers la droite dans l'hémisphère Nord, et vers la gauche dans l'hémisphère Sud. Elle est nulle à l'équateur et maximale aux pôles. Elle est également à l'œuvre en altitude : l'air qui s'éloigne de l'équateur vers les pôles est dévié vers l'est, ce qui explique en partie pourquoi la cellule de Hadley s'arrête vers 30° au lieu de filer jusqu'aux pôles.

Ces vents réguliers ont joué un rôle considérable dans l'histoire. Lors de son premier voyage en 1492, Christophe Colomb descendit d'abord jusqu'aux Canaries avant de mettre le cap à l'ouest, attrapant les alizés qui le portèrent jusqu'aux Antilles. Pendant plus de trois siècles, la route des navires vers les Amériques suivit le même chemin. Le nom anglais des alizés, trade winds, littéralement « vents du commerce », en garde la trace, même si l'expression désignait à l'origine des vents à la trajectoire constante.

George Hadley, l'avocat qui expliqua les alizés

Si cette boucle porte le nom de Hadley, c'est grâce à un Anglais du XVIIIe siècle dont la météorologie n'était pas le métier. George Hadley (1685-1768) était avocat, et frère de l'astronome John Hadley, l'inventeur de l'octant. Passionné de sciences, il s'intéressait à la question qui préoccupait tous les navigateurs de l'époque : pourquoi les alizés soufflent-ils avec une telle régularité, et pourquoi de l'est ?

Un demi-siècle plus tôt, en 1686, l'astronome Edmond Halley, celui de la comète, avait déjà proposé une explication : le Soleil chauffe l'air de l'équateur, qui s'élève, et l'air des régions plus fraîches vient le remplacer. L'idée était juste. Mais pour expliquer la composante vers l'ouest, Halley invoquait le déplacement quotidien du Soleil dans le ciel, qui « entraînerait » l'air à sa suite. C'était là que le raisonnement péchait.

En mai 1735, George Hadley présente à la Royal Society de Londres un court article intitulé Concerning the Cause of the General Trade-Winds. Il y reprend l'idée de l'air chaud qui monte à l'équateur, mais il y ajoute l'élément manquant : la rotation de la Terre, qui fait que l'air venu de latitudes plus élevées « prend du retard » sur le sol en arrivant vers l'équateur. Il décrit aussi le chemin de retour de l'air en altitude vers les pôles. L'essentiel de la cellule qui porte aujourd'hui son nom est là.

Ironie de l'histoire, ce texte est passé presque inaperçu. L'explication de Halley, déjà célèbre, continuait de faire autorité, et l'idée de Hadley a été redécouverte indépendamment par plusieurs savants, dont le chimiste John Dalton, qui reconnut ensuite l'antériorité de Hadley. Selon l'historien de la météorologie Anders Persson, il a fallu une centaine d'années pour que la communauté scientifique l'adopte. Et son raisonnement n'était pas parfait non plus : il sous-estimait l'ampleur de la déviation, une erreur corrigée au siècle suivant, notamment par William Ferrel, que nous allons retrouver bientôt. Aujourd'hui, son nom est partout : outre la cellule, le centre de recherche climatique de l'office météorologique britannique s'appelle le Hadley Centre.

Trois cellules par hémisphère

La cellule de Hadley s'arrête vers 30° de latitude. Mais la Terre ne s'arrête pas là, et il faut bien que la chaleur continue son voyage jusqu'aux pôles. On décrit classiquement la circulation de l'atmosphère avec trois cellules par hémisphère, empilées de l'équateur au pôle comme les maillons d'une chaîne :

La cellule de Hadley, entre l'équateur et environ 30°, que nous connaissons maintenant. La cellule de Ferrel, entre 30° et 60° environ, celle des latitudes moyennes où se trouve la France. Et la cellule polaire, entre 60° et le pôle.

Le schéma fait apparaître une alternance remarquable au sol. Là où l'air monte, à l'équateur et vers 60°, la pression est basse et les pluies fréquentes. Là où il descend, vers 30° et au pôle, la pression est haute et le temps sec. Et chaque cellule impose ses vents dominants en surface : les alizés dans la première, les vents d'ouest dans la deuxième, les vents d'est polaires dans la troisième.

Mais ces trois cellules ne fonctionnent pas toutes de la même manière. Les cellules de Hadley et polaire sont des cellules « directes » : elles tournent parce que de l'air chaud monte d'un côté et de l'air froid descend de l'autre. La cellule de Ferrel, elle, tourne à l'envers : l'air y descend du côté chaud, vers 30°, et monte du côté froid, vers 60°. Elle ne peut donc pas être entraînée par la chaleur. On la compare souvent à un engrenage coincé entre deux autres : ce sont ses voisines qui la font tourner. L'image est commode, mais comme nous allons le voir, la réalité est un peu plus subtile.

La cellule de Ferrel, celle de nos latitudes

Revenons vers 30° de latitude, là où l'air de la cellule de Hadley redescend vers le sol. Arrivé en bas, cet air se partage : une partie repart vers l'équateur sous forme d'alizés, mais une autre partie file en direction des pôles en restant près de la surface. C'est elle qui forme la branche basse de la cellule de Ferrel.

Cet air qui se dirige vers le nord est, lui aussi, dévié par la rotation de la Terre. Cette fois, le raisonnement s'inverse : en quittant les basses latitudes, il emporte une vitesse vers l'est supérieure à celle du sol qu'il survole plus au nord. Il prend donc de l'avance et se met à souffler de l'ouest, ou plutôt du sud-ouest. Ce sont les vents d'ouest dominants des latitudes moyennes.

Voilà pourquoi, en France, le temps arrive le plus souvent de l'Atlantique. Les nuages, les pluies et les tempêtes qui traversent le pays se déplacent généralement d'ouest en est, et la façade atlantique est la plus arrosée. C'est aussi pour cette raison que les prévisionnistes surveillent en priorité ce qui se forme au-dessus de l'océan. Les mêmes vents d'ouest soufflent, plus forts encore, dans l'hémisphère Sud, où presque aucune terre ne vient les freiner entre 40° et 60° de latitude sud : les marins les appellent les « quarantièmes rugissants » et les « cinquantièmes hurlants ».

Vers 60° de latitude, cet air venu du sud rencontre l'air froid descendu des régions polaires. Plus léger, il est contraint de s'élever, et repart en altitude vers les basses latitudes, où il redescend vers 30°. La boucle de Ferrel est ainsi refermée.

Il faut cependant être honnête avec ce schéma. Si l'on pouvait observer l'atmosphère des latitudes moyennes un jour donné, on ne verrait jamais une belle boucle régulière comme dans la cellule de Hadley. On verrait au contraire un défilé incessant de dépressions et d'anticyclones, de grands tourbillons de plusieurs milliers de kilomètres qui naissent, se déplacent vers l'est et meurent en quelques jours. Ce sont eux qui transportent l'essentiel de la chaleur vers les pôles à nos latitudes, en mélangeant l'air chaud et l'air froid un peu comme une cuillère qui touille un café.

La cellule de Ferrel n'apparaît que lorsqu'on fait la moyenne de tous ces mouvements sur de longues périodes et sur tout le tour de la Terre. C'est en quelque sorte une moyenne statistique, la trace laissée par l'agitation permanente des tourbillons, plutôt qu'un circuit que suivrait réellement une masse d'air. C'est d'ailleurs pour cela qu'elle tourne « à l'envers » : elle n'est pas le moteur du transport de chaleur, mais une conséquence de celui-ci. C'est aussi la raison pour laquelle la météo des latitudes moyennes est si changeante, alors que celle des tropiques est remarquablement monotone : nous vivons dans la zone la plus turbulente de l'atmosphère.

Cette cellule porte le nom de William Ferrel (1817-1891), un météorologue américain au parcours étonnant. Fils de fermier, il n'a reçu dans son enfance qu'une instruction très sommaire, à peine deux hivers d'école dans une classe unique. Autodidacte, il s'est formé en lisant Newton et Laplace, avant de devenir instituteur. En 1856, il publie dans une revue médicale de Nashville un Essai sur les vents et les courants de l'océan, qui décrit cette circulation des latitudes moyennes et montre comment la rotation de la Terre dévie tous les mouvements de l'air et de l'eau. C'est lui qui corrige l'erreur de raisonnement de Hadley sur l'ampleur de la déviation. Ses travaux lui ouvriront ensuite les portes des grandes institutions scientifiques américaines.

La cellule polaire

Au-dessus des pôles, le Soleil est absent une bonne partie de l'année, et même en été ses rayons arrivent très rasants. Le sol, couvert de glace ou de neige, perd plus de chaleur qu'il n'en reçoit. L'air à son contact devient très froid, donc très dense, et il s'affaisse. Il forme au sol une zone de hautes pressions : l'anticyclone polaire.

Cet air glacial s'écoule alors au ras du sol en direction des latitudes plus basses. Comme les alizés, il est dévié vers l'ouest par la rotation terrestre : ce sont les vents d'est polaires. Vers 60° de latitude, il rencontre l'air plus doux de la cellule de Ferrel. Il s'y réchauffe un peu, s'élève, et repart en altitude vers le pôle, où il redescend. C'est la troisième boucle, et la seconde cellule directe : comme celle de Hadley, elle est mise en mouvement par une différence de température, mais ici c'est le froid du pôle qui joue le premier rôle.

La cellule polaire est la plus petite et la plus faible des trois. Elle est aussi la moins épaisse : l'air froid étant plus dense et plus tassé, la tropopause ne se situe qu'à 8 ou 9 kilomètres d'altitude au-dessus des pôles, contre 15 à 17 kilomètres au-dessus de l'équateur.

Une conséquence surprenante de cette descente d'air : comme au-dessus du Sahara, l'air qui s'affaisse est sec et empêche la formation des nuages. L'air glacial ne contient de toute façon presque pas de vapeur d'eau. L'intérieur de l'Antarctique ne reçoit ainsi que quelques centimètres de précipitations par an, en équivalent eau. Au sens des climatologues, c'est un désert, et même le plus grand du monde. Les déserts ne sont pas forcément chauds : ce qui les définit, c'est le manque de précipitations.

Le front polaire et les courants-jets

Les frontières entre les cellules sont des endroits privilégiés pour observer la météo en action, et l'une d'elles nous concerne particulièrement : celle qui sépare la cellule de Ferrel de la cellule polaire, vers 60° de latitude.

C'est là que se rencontrent deux masses d'air très différentes : d'un côté l'air doux et humide venu des subtropiques, de l'autre l'air froid et sec venu du pôle. Elles ne se mélangent pas facilement. L'air froid, plus lourd, se glisse sous l'air doux comme un coin, tandis que l'air doux est contraint de monter par-dessus. La surface de contact entre les deux s'appelle le front polaire.

En s'élevant le long du front, l'air doux se refroidit, sa vapeur d'eau se condense, et il forme de longues bandes de nuages et de pluie. Mais ce front n'est jamais rectiligne ni immobile. Il ondule, se creuse, s'enroule sur lui-même. C'est de ces ondulations que naissent les dépressions qui traversent l'Atlantique et viennent arroser l'Europe. Cette « théorie du front polaire » a été formulée au début du XXe siècle par des météorologues norvégiens de l'école de Bergen, et elle reste à la base de la lecture des cartes météo que l'on voit chaque soir à la télévision, avec leurs fronts chauds et leurs fronts froids.

Au-dessus de ce front, vers 9 à 12 kilomètres d'altitude, circule un véritable fleuve de vent : le courant-jet polaire, ou jet stream. Il se forme là où les différences de température entre air chaud et air froid sont les plus marquées, et souffle d'ouest en est sur des milliers de kilomètres, avec des vitesses qui dépassent couramment 200 km/h et peuvent atteindre 300 à 400 km/h. Un second courant-jet, le courant-jet subtropical, circule plus haut, vers 30° de latitude, à la frontière entre la cellule de Hadley et celle de Ferrel.

Les compagnies aériennes connaissent bien ces courants. Sur l'Atlantique Nord, les vols vers l'est en profitent pour gagner du temps et du carburant, tandis que les vols vers l'ouest cherchent à les éviter. En février 2020, porté par un courant-jet particulièrement puissant pendant la tempête Ciara, un vol commercial entre New York et Londres a ainsi relié les deux villes en moins de cinq heures, un record pour un avion de ligne subsonique. C'est d'ailleurs pour cette raison qu'un aller-retour Paris–New York n'a jamais la même durée dans les deux sens.

Le courant-jet polaire ne suit pas une ligne droite. Il décrit de grands méandres, un peu comme une rivière dans une plaine, qui se déplacent lentement d'ouest en est. Ces méandres ont une grande importance pour notre météo. Là où le courant-jet plonge vers le sud, il laisse descendre de l'air polaire vers les latitudes moyennes, avec des vagues de froid. Là où il remonte vers le nord, il ouvre la porte à de l'air chaud venu des subtropiques. Lorsque ces méandres se figent pendant plusieurs jours, on parle de situation de blocage : c'est souvent dans ces configurations que s'installent les canicules prolongées en été ou les longues périodes de froid sec en hiver.

Une machine qui suit les saisons

Jusqu'ici, nous avons décrit les cellules comme si elles étaient immobiles. En réalité, toute la machine se déplace au fil de l'année, en suivant le Soleil.

L'axe de la Terre est incliné d'environ 23,5° par rapport à son orbite. Conséquence : le Soleil ne passe à la verticale de l'équateur qu'aux équinoxes. En juin, il est à la verticale du tropique du Cancer, vers 23,5° nord ; en décembre, à la verticale du tropique du Capricorne, vers 23,5° sud. La zone qui reçoit le plus d'énergie se déplace donc entre les deux hémisphères au cours de l'année, et la zone de convergence intertropicale la suit, avec un certain décalage.

Ce balancement explique le rythme des saisons dans une grande partie des tropiques, où l'on ne parle pas d'été et d'hiver, mais de saison des pluies et de saison sèche. Au Sahel, la bande de pays qui borde le Sahara au sud, du Sénégal au Tchad, la zone de convergence remonte vers le nord en été et apporte quelques mois de pluies, généralement de juillet à septembre. Le reste de l'année, elle redescend vers le sud, et ce sont les vents secs venus du Sahara qui dominent, comme l'harmattan qui charrie la poussière du désert jusqu'au golfe de Guinée. Une année où la zone de convergence remonte moins loin ou moins longtemps qu'à l'habitude, c'est la sécheresse.

Le même mécanisme, amplifié par le contraste entre un continent qui chauffe très vite et un océan qui chauffe lentement, est à l'origine de la mousson indienne. En été, le sous-continent indien se réchauffe fortement, la zone de convergence remonte loin vers le nord, et les vents de surface s'inversent : ils soufflent alors de l'océan Indien vers la terre, chargés d'humidité, et déversent des pluies diluviennes. Plus d'un milliard de personnes dépendent de ces quelques mois de pluie pour leur agriculture.

Avec la zone de convergence, ce sont les cellules de Hadley tout entières qui se décalent. En été boréal, la cellule de l'hémisphère Sud, celle de l'hiver, devient la plus vaste et la plus puissante, et sa branche montante se trouve au nord de l'équateur. C'est l'inverse six mois plus tard. Les ceintures de déserts et d'anticyclones subtropicaux se déplacent aussi légèrement : l'anticyclone des Açores remonte vers le nord en été, ce qui protège souvent la France des perturbations et lui offre ses périodes de beau temps, puis redescend vers le sud en hiver, laissant passer les dépressions atlantiques.

Et avec le réchauffement climatique ?

Une question revient souvent : cette machinerie est-elle en train de changer ? Les observations des dernières décennies suggèrent que oui, au moins en partie, mais les chiffres appellent beaucoup de prudence.

De nombreuses études ont mis en évidence un élargissement des cellules de Hadley depuis la fin des années 1970 : leur bord du côté des pôles, là où l'air redescend, se serait déplacé vers les hautes latitudes. Autrement dit, la ceinture tropicale s'élargirait, et avec elle la zone de descente d'air sec.

Le problème, c'est que l'ampleur de cet élargissement varie énormément selon la manière dont on le mesure. Il n'existe pas de borne visible marquant le bord d'une cellule : les chercheurs doivent la repérer indirectement, par exemple à partir des vents en altitude, des vents de surface, des précipitations ou de la position des anticyclones. Selon la méthode et les données utilisées, les estimations publiées vont d'environ 0,1° à 2° de latitude par décennie, soit un facteur vingt entre les deux extrêmes. Une étude publiée en 2023 avec la méthode la plus couramment employée aboutit, pour la période 1979-2022, à environ 0,05° par décennie dans l'hémisphère Nord et 0,2° dans l'hémisphère Sud, en soulignant que les incertitudes restent grandes. Pour donner un ordre de grandeur, 0,2° de latitude représentent environ 22 kilomètres.

La question des causes est tout aussi débattue. Les modèles climatiques indiquent que dans l'hémisphère Nord, l'essentiel de l'élargissement récent reste compatible avec la variabilité naturelle du climat. Dans l'hémisphère Sud, en revanche, l'augmentation des gaz à effet de serre et l'amincissement de la couche d'ozone au-dessus de l'Antarctique auraient probablement joué un rôle important. La largeur des cellules varie aussi naturellement de plusieurs degrés d'une année à l'autre, en lien notamment avec des phénomènes comme El Niño et La Niña. Pour le XXIe siècle, les projections liées au réchauffement tablent sur un déplacement plus modeste, de l'ordre de 0,03° à 0,2° par décennie.

Pourquoi s'y intéresser malgré ces incertitudes ? Parce que les régions situées en bordure des zones subtropicales sont sensibles au moindre déplacement de la ceinture d'air descendant. Lorsque les cellules de Hadley sont plus larges, ces régions connaissent davantage de conditions sèches et chaudes. C'est le cas du pourtour méditerranéen, du sud de l'Australie, de l'Afrique australe ou de la Californie. Le déplacement des anticyclones subtropicaux peut aussi modifier la trajectoire des cyclones tropicaux. L'élargissement des cellules de Hadley n'est qu'un des mécanismes en jeu dans l'évolution de ces climats régionaux, mais c'est l'une des raisons pour lesquelles les climatologues le surveillent de près.

En résumé

Revenons à notre planisphère du début. Les déserts alignés autour de 30°, le pot au noir des marins, les alizés qui ont porté les caravelles de Colomb, les vents d'ouest qui nous amènent la pluie de l'Atlantique, le désert glacé de l'Antarctique : tout cela découle d'un même principe. Le Soleil chauffe davantage l'équateur que les pôles, et l'atmosphère, en cherchant à rétablir l'équilibre, se met en mouvement.

Ce mouvement s'organise en trois étages dans chaque hémisphère. La cellule de Hadley, régulière et puissante, fait monter l'air chaud de l'équateur et le fait redescendre sec sur les tropiques. La cellule polaire, petite et glaciale, fait couler l'air froid des pôles vers les latitudes moyennes. Entre les deux, la cellule de Ferrel est moins une boucle qu'une zone de brassage permanent, où dépressions et anticyclones se succèdent, ce qui donne à nos régions leur météo si changeante. Et toute la machine se balance au fil des saisons, au rythme du Soleil.

Ce modèle à trois cellules reste une simplification. Les continents, les montagnes et les océans viennent le perturber, le découper en anticyclones et en dépressions régionales, et l'atmosphère réelle est bien plus complexe que ces trois boucles. Mais en moins de trois siècles, depuis l'intuition d'un avocat anglais curieux, ce schéma est devenu l'un des outils les plus utiles pour comprendre pourquoi il pleut à un endroit et jamais à un autre. En somme, l'atmosphère fonctionne comme une immense machine thermique, qui transporte sans relâche la chaleur de l'équateur vers les pôles, et dont nous percevons chaque jour les effets en regardant le ciel.

Sources