Phénomènes météorologiques et climatiques

Les prérequis et l'essentiel en dix minutes

Prérequis 1 — l'eau change d'état. L'eau existe sous trois formes : liquide (l'eau du robinet), solide (la glace) et gazeuse (la vapeur d'eau, qui est invisible). Passer de liquide à gaz, c'est l'évaporation ; passer de gaz à liquide, c'est la condensation.

Prérequis 2 — savoir calculer une moyenne. Tu additionnes toutes les valeurs, puis tu divises par le nombre de valeurs. C'est le seul calcul du chapitre.

Prérequis 3 — lire un tableau de mesures avec ses unités (degrés Celsius, millimètres, kilomètres par heure).

L'idée à retenir, en une phrase : la météo, c'est le temps qu'il fait maintenant, ici ; le climat, c'est le temps habituel d'une région, calculé en moyenne sur au moins 30 ans.

« Il neige à Grenoble ce mardi » : c'est de la météo, ça peut changer demain. « Grenoble a un climat montagnard avec des hivers enneigés » : c'est du climat, ça ne changera pas d'un jour à l'autre.

Les quatre paramètres qu'on mesure (à savoir par cœur avec leur instrument) :

— la température, en degrés Celsius (°C), avec un thermomètre ;

— les précipitations (l'eau tombée), en millimètres (mm), avec un pluviomètre ;

— la vitesse du vent, en km/h, avec un anémomètre (sa direction se donne en points cardinaux : nord, sud, est, ouest) ;

— la nébulosité, c'est-à-dire la quantité de nuages, de 0 (ciel dégagé) à 8 octas (ciel entièrement couvert).

La formule clé et un exemple entièrement traité

La seule formule du chapitre, c'est la moyenne :

$$m = \dfrac{\text{somme des valeurs}}{\text{nombre de valeurs}}$$

Et pour le cumul de pluie, on additionne simplement (on ne fait pas de moyenne si on te demande « combien d'eau est tombée au total ») :

$P_{\text{total}} = P_1 + P_2 + \dots + P_n$

Exemple traité. À Lyon, on a relevé la température de midi pendant 5 jours : 12 °C, 15 °C, 11 °C, 14 °C, 13 °C. La normale de saison pour cette semaine est de 15 °C. Cette semaine a-t-elle été habituelle ?

Étape 1 — j'additionne les valeurs.

$12 + 15 + 11 + 14 + 13 = 65$

Étape 2 — je compte le nombre de valeurs. Il y a 5 relevés, donc je divise par 5.

Étape 3 — je calcule la moyenne.

$m = \dfrac{65}{5} = 13$

La température moyenne de la semaine est donc de 13 °C.

Étape 4 — je compare à la normale climatique.

$13 - 15 = -2$

Étape 5 — je conclus avec une phrase. La moyenne mesurée est inférieure de 2 °C à la normale : cette semaine a été un peu plus fraîche que d'habitude à Lyon. Attention, cela reste une observation de météo : une semaine fraîche ne change pas le climat de Lyon.

Les trois pièges qui coûtent le plus de points : confondre météo et climat ; croire que la vapeur d'eau se voit (elle est invisible, un nuage est fait de gouttelettes d'eau liquide ou de cristaux de glace) ; croire que le vent est forcément chaud (le vent, c'est juste de l'air en mouvement, il peut être glacial).

Météo et climat : deux notions à ne jamais mélanger

Définition — la météorologie (la météo) décrit l'état de l'atmosphère à un moment précis et en un lieu donné : température, vent, nuages, pluie. Elle est variable et peut changer en quelques heures.

Définition — le climat est la moyenne des conditions météorologiques observées sur une très longue durée (au moins 30 ans) dans une région. Il est stable et caractérise une zone géographique.

Autrement dit : la météo, c'est une photo ; le climat, c'est le résumé de milliers de photos. Les deux se mesurent avec les mêmes instruments, mais pas sur la même durée.

Comment trancher en une seconde ? Pose-toi la question : « est-ce que je peux dater cette phrase à un jour près ? » Si oui, c'est de la météo. Si la phrase décrit une habitude qui vaut année après année, c'est du climat.

— « Il neige à Grenoble ce mardi. » Je peux la dater : météo.

— « Grenoble a un climat montagnard avec des hivers enneigés. » C'est une habitude sur des dizaines d'années : climat.

Les grandes zones climatiques. La position sur le globe, c'est-à-dire la latitude, détermine en grande partie le climat. On distingue quatre grandes zones :

— zone équatoriale (autour de l'équateur) : toujours chaud, entre $25$ et $30$ °C, et très humide ; forêts tropicales denses (Amazonie, bassin du Congo) ;

— zone tropicale : chaud, avec une saison sèche et une saison des pluies ; savanes (Sénégal, nord de l'Australie) ;

— zone tempérée : quatre saisons bien marquées, températures modérées (France, Allemagne) ;

— zone polaire (près des pôles) : froid extrême toute l'année, végétation quasi absente (Antarctique, Groenland).

Les paramètres météorologiques et leurs instruments

Quatre grandeurs sont relevées dans une station météo. Pour chacune, on attend de toi le nom, l'unité et l'instrument.

1. La température, notée $T$ : elle se mesure en degrés Celsius (°C) avec un thermomètre. C'est le paramètre le plus suivi, mais ce n'est pas le seul.

2. Les précipitations, notées $P$ : c'est la quantité d'eau tombée, mesurée en millimètres (mm) avec un pluviomètre. Un millimètre correspond à la hauteur d'eau accumulée dans le récipient.

3. La vitesse du vent, notée $v$ : elle se mesure en km/h avec un anémomètre. Sa direction se donne séparément, en points cardinaux (un vent d'ouest est un vent qui vient de l'ouest).

4. La nébulosité : c'est la quantité de nuages dans le ciel, exprimée de 0 octa (ciel entièrement dégagé) à 8 octas (ciel entièrement couvert). L'idée est simple : on partage mentalement le ciel en 8 parts et on compte combien de parts sont occupées par les nuages.

Retiens bien la logique : chaque paramètre a son instrument. Un thermomètre ne mesure pas la pluie, un pluviomètre ne mesure pas le vent. Une confusion d'instrument est une faute classique.

Du sol au nuage, puis à la pluie : la méthode en trois étapes

La formation des nuages et des précipitations se raconte toujours dans le même ordre, en trois étapes. Apprends-les comme une petite histoire.

Étape 1 — l'évaporation. Le Soleil chauffe l'eau des mers, des lacs et des sols humides. L'eau liquide se transforme alors en vapeur d'eau invisible, qui monte dans l'atmosphère.

Étape 2 — la condensation. En montant, la vapeur se refroidit et redevient de minuscules gouttelettes d'eau liquide (ou des cristaux de glace s'il fait assez froid). Ce sont ces gouttelettes, en énorme quantité, qui forment le nuage et le rendent visible.

Étape 3 — les précipitations. Les gouttelettes se rassemblent et grossissent, jusqu'à devenir trop lourdes pour rester en l'air. Elles tombent alors sous forme de pluie (gouttelettes liquides), de neige (cristaux de glace) ou de grêle (glaçons).

Le point que les correcteurs guettent : le nuage n'est pas fait de vapeur. La vapeur d'eau est un gaz invisible ; ce que tu vois (nuage, brouillard, buée) est toujours de l'eau liquide en gouttelettes ou de la glace.

Exemple 1 — Trier des phrases : météo ou climat ?

Énoncé. Pour chaque phrase, indique s'il s'agit de météo ou de climat, et justifie.

(a) « Cet après-midi, il y aura des averses sur la Bretagne. »

(b) « Le Sahara reçoit très peu de précipitations chaque année. »

(c) « Hier, le vent a soufflé à 90 km/h à Brest. »

(d) « En Amazonie, il fait entre 25 et 30 °C toute l'année. »

On le fait ensemble.

(a) Je repère l'indice de temps : « cet après-midi ». C'est un moment précis, donc c'est une prévision à court terme. → Météo, car la phrase décrit l'état de l'atmosphère à un moment donné et en un lieu donné.

(b) Je repère l'indice : « chaque année ». Aucune date précise, c'est une habitude qui se répète. → Climat, car la phrase décrit une moyenne sur une longue durée.

(c) Je repère l'indice : « hier », plus une valeur mesurée un jour précis. → Météo. Attention : même une valeur spectaculaire (90 km/h, c'est une tempête) reste de la météo.

(d) Je repère l'indice : « toute l'année ». La phrase décrit ce qui est habituel en Amazonie. → Climat, et plus précisément le climat de la zone équatoriale : chaud entre 25 et 30 °C et très humide.

Ce qu'il faut avoir écrit : jamais seulement « météo » ou « climat » tout seul. Toujours la réponse plus l'indice de durée qui la justifie. C'est ce qui distingue une réponse au hasard d'une réponse comprise.

Exemple 2 — Exploiter un relevé de précipitations

Énoncé. Voici les précipitations relevées au pluviomètre pendant une semaine à Rennes : lundi 4 mm, mardi 0 mm, mercredi 12 mm, jeudi 6 mm, vendredi 3 mm, samedi 0 mm, dimanche 10 mm. Calcule la quantité totale d'eau tombée, puis la moyenne quotidienne.

On le fait ensemble.

Étape 1 — j'identifie le paramètre et son unité. Ce sont des précipitations, mesurées au pluviomètre, en millimètres. Je garderai cette unité dans toutes mes réponses.

Étape 2 — le total, c'est une addition (surtout pas une moyenne).

$P_{\text{total}} = 4 + 0 + 12 + 6 + 3 + 0 + 10$

$P_{\text{total}} = 35$

Il est tombé 35 mm d'eau sur la semaine.

Étape 3 — je compte les jours. Le relevé va du lundi au dimanche : il y a 7 jours. Les deux jours à 0 mm comptent quand même, ce sont de vraies mesures, pas des trous.

Étape 4 — je calcule la moyenne quotidienne.

$m = \dfrac{35}{7} = 5$

Étape 5 — je conclus par une phrase avec l'unité. Il est tombé en moyenne 5 mm d'eau par jour cette semaine à Rennes, pour un total de 35 mm.

Le piège de l'exemple : oublier les deux jours secs au moment de diviser. Si on divise par 5 au lieu de 7, on trouve 7 mm par jour, ce qui est faux. Le nombre de valeurs, c'est le nombre de jours du relevé, pas le nombre de jours où il a plu.

Exemple 3 — Expliquer la buée sur une fenêtre

Énoncé. Un matin d'hiver, de fines gouttelettes apparaissent sur la vitre intérieure de ta chambre. Explique ce phénomène en utilisant le vocabulaire du cours, puis dis en quoi il ressemble à la formation d'un nuage.

On le fait ensemble.

Étape 1 — je cherche d'où vient l'eau. L'air de la chambre contient de la vapeur d'eau invisible : elle vient de la respiration, du linge qui sèche, de la douche. C'est de l'eau à l'état gazeux.

Étape 2 — je cherche ce qui change. La vitre est froide parce qu'il fait froid dehors. L'air chaud et humide de la pièce qui la touche se refroidit brutalement.

Étape 3 — je nomme le changement d'état. En se refroidissant, la vapeur d'eau redevient de l'eau liquide : c'est la condensation. Ce sont ces minuscules gouttelettes liquides que je vois, et c'est bien pour cela que la buée est visible alors que la vapeur ne l'est pas.

Étape 4 — je fais le lien avec le nuage. Dans l'atmosphère, la vapeur d'eau monte, se refroidit en altitude et se condense de la même façon en gouttelettes : c'est ce qui forme un nuage. La vitre froide joue le rôle de l'air froid en altitude.

Étape 5 — je conclus. La buée et le nuage sont le même phénomène, la condensation de la vapeur d'eau ; seule change la cause du refroidissement.

Formulation à éviter : « on voit la vapeur se déposer sur la vitre ». Non : on ne voit jamais la vapeur. On voit le résultat de sa condensation, c'est-à-dire de l'eau liquide.

Ce que le correcteur attend, et les pièges classiques

La méthode officielle pour lire et analyser un relevé météorologique tient en quatre gestes, dans cet ordre :

1. Repérer la date et le lieu du relevé. Sans lieu ni date, une mesure météo ne veut rien dire.

2. Identifier chaque paramètre avec son unité : température (°C), précipitations (mm), vitesse du vent (km/h), nébulosité (octas).

3. Calculer la moyenne quand on te la demande : additionner toutes les valeurs, puis diviser par le nombre de jours.

4. Comparer la moyenne à la normale climatique pour dire si le temps a été exceptionnel ou habituel. C'est cette comparaison qui fait le lien entre météo et climat, et c'est très souvent la dernière question du contrôle.

Les subtilités qui rapportent des points.

— Somme ou moyenne ? Pour la pluie, on demande souvent un cumul (une addition : « combien d'eau au total »). Pour la température, on demande une moyenne (une addition puis une division). Lis bien le verbe de la question.

— Un écart n'est pas un changement de climat. Une semaine, un mois, même une année plus chaude que la normale, cela reste de la météo. On ne parle de climat qu'à partir de moyennes sur 30 ans au moins.

— La direction du vent se donne en points cardinaux et indique d'où vient le vent, pas où il va. Elle ne se confond pas avec sa vitesse en km/h.

— Toujours l'unité dans le résultat et une phrase de conclusion rédigée. Un nombre nu vaut rarement tous les points.

Les trois erreurs fréquentes à ne pas commettre.

— Confondre météo et climat. « Il fait chaud aujourd'hui » relève de la météo, pas du climat.

— Croire que la vapeur d'eau est visible. Elle est invisible. Les nuages sont faits de gouttelettes d'eau liquide ou de cristaux de glace, pas de vapeur.

— Penser que le vent est forcément chaud. Le vent est simplement de l'air en mouvement : il peut être froid ou chaud selon la région.

Problème type 1 — Analyser un relevé de station météo

Énoncé. Voici le relevé de la station de Nancy pour quatre jours de novembre.

Lundi : température 7 °C ; précipitations 2 mm ; vent 15 km/h de nord-est ; nébulosité 6 octas.

Mardi : température 9 °C ; précipitations 0 mm ; vent 10 km/h d'est ; nébulosité 3 octas.

Mercredi : température 5 °C ; précipitations 8 mm ; vent 35 km/h d'ouest ; nébulosité 8 octas.

Jeudi : température 3 °C ; précipitations 6 mm ; vent 25 km/h de nord ; nébulosité 7 octas.

1. Quel instrument a servi à mesurer chaque paramètre ? 2. Calcule la température moyenne de ces quatre jours. 3. Quelle quantité d'eau est tombée au total ? 4. La normale de saison est de 8 °C : ces quatre jours ont-ils été habituels ? 5. Quel jour le ciel était-il entièrement couvert ?

Correction entièrement rédigée.

1. Les instruments. La température a été mesurée avec un thermomètre, les précipitations avec un pluviomètre, la vitesse du vent avec un anémomètre. La nébulosité, elle, s'observe : elle s'exprime en octas, de 0 à 8.

2. La température moyenne. J'additionne les quatre températures :

$7 + 9 + 5 + 3 = 24$

Je divise par le nombre de jours, c'est-à-dire 4 :

$m = \dfrac{24}{4} = 6$

La température moyenne sur ces quatre jours est de 6 °C.

3. Le cumul de précipitations. Ici on demande un total : c'est une addition, pas une moyenne.

$P_{\text{total}} = 2 + 0 + 8 + 6 = 16$

Il est tombé 16 mm d'eau au total sur les quatre jours.

4. La comparaison à la normale. Je calcule l'écart entre la moyenne mesurée et la normale de saison :

$6 - 8 = -2$

La moyenne est inférieure de 2 °C à la normale : ces quatre jours ont donc été un peu plus frais que d'habitude à Nancy, mais l'écart reste faible, donc rien d'exceptionnel. Et surtout : cela ne dit rien sur le climat de Nancy, car quatre jours ne sont qu'un épisode de météo.

5. Le ciel entièrement couvert. Un ciel entièrement couvert correspond à 8 octas. C'est le cas mercredi, jour où il est d'ailleurs tombé le plus de pluie (8 mm) et où le vent a été le plus fort (35 km/h d'ouest) : les trois indices sont cohérents, c'était le jour de la perturbation.

Problème type 2 — Identifier une zone climatique sur un diagramme

Énoncé. Le diagramme ci-dessous donne, pour une ville, la température moyenne de chaque mois (courbe) et les précipitations de chaque mois (barres). Températures en °C : janvier 4, février 5, mars 8, avril 11, mai 15, juin 18, juillet 21, août 21, septembre 17, octobre 13, novembre 8, décembre 5. Précipitations en mm : 55, 48, 50, 55, 65, 55, 40, 45, 55, 70, 65, 60.

1. Quel est le mois le plus chaud ? le plus froid ? 2. Calcule la température moyenne annuelle. 3. Calcule le total des précipitations de l'année. 4. À quelle zone climatique cette ville appartient-elle ? Justifie.

Correction entièrement rédigée.

1. Les extrêmes. Je lis la courbe : le point le plus haut correspond à juillet et août, à 21 °C ; le point le plus bas correspond à janvier, à 4 °C.

2. La température moyenne annuelle. J'additionne les douze températures :

$4 + 5 + 8 + 11 + 15 + 18 + 21 + 21 + 17 + 13 + 8 + 5 = 146$

Je divise par le nombre de mois, c'est-à-dire 12 :

$m = \dfrac{146}{12} \approx 12{,}2$

La température moyenne annuelle est d'environ 12,2 °C.

3. Le cumul annuel de précipitations. C'est une addition :

$55 + 48 + 50 + 55 + 65 + 55 + 40 + 45 + 55 + 70 + 65 + 60 = 663$

Il tombe environ 663 mm d'eau par an dans cette ville.

4. La zone climatique. Je raisonne sur trois indices.

Premier indice, l'écart entre le mois le plus chaud et le mois le plus froid :

$21 - 4 = 17$

Un écart de 17 °C, c'est beaucoup : les saisons sont donc bien marquées. Cela élimine la zone équatoriale, où il fait toujours entre 25 et 30 °C.

Deuxième indice, les températures modérées : jamais de chaleur écrasante (21 °C au maximum), jamais de froid extrême (4 °C au minimum). Cela élimine la zone polaire, où il fait froid toute l'année.

Troisième indice, la répartition des pluies : il pleut tous les mois, entre 40 et 70 mm, sans saison sèche. Cela élimine la zone tropicale, qui se reconnaît à son alternance entre une saison sèche et une saison des pluies.

Conclusion. Températures modérées, quatre saisons bien marquées, pluies réparties toute l'année : cette ville appartient à la zone tempérée, comme la France ou l'Allemagne.

Ce que le correcteur veut voir ici : pas seulement le mot « tempérée », mais le raisonnement par élimination appuyé sur des valeurs lues sur le diagramme. Citer un chiffre à chaque étape de la justification, c'est ce qui fait la différence.

Pourquoi les zones climatiques existent : l'idée de la démonstration

Le cours dit que la latitude détermine en grande partie le climat. Mais pourquoi ? Le Soleil est pourtant le même pour tout le monde. Voici l'idée, et elle est purement géométrique.

Le Soleil est si loin que ses rayons arrivent sur la Terre parallèles entre eux. Or la Terre est une sphère. Conséquence : ces rayons parallèles ne frappent pas la surface sous le même angle partout.

— Près de l'équateur, les rayons arrivent presque perpendiculairement au sol. Toute leur énergie se concentre sur une petite surface : le sol chauffe fort. Cela explique les 25 à 30 °C toute l'année de la zone équatoriale.

— Près des pôles, les mêmes rayons arrivent très inclinés, presque rasants. La même quantité d'énergie s'étale alors sur une surface beaucoup plus grande : chaque mètre carré reçoit beaucoup moins de chaleur. D'où le froid extrême de la zone polaire.

Entre les deux, l'inclinaison est intermédiaire : ce sont les zones tropicale puis tempérée. Tu viens de reconstruire, à partir d'une seule idée géométrique, les quatre bandes du globe que tu as apprises par cœur au palier 2. C'est exactement ce qu'on appelle justifier en physique : ne pas se contenter de constater, mais dire d'où ça vient.

Les ponts avec les autres chapitres

Avec les changements d'état de l'eau. L'évaporation et la condensation que tu as vues ici ne sont pas propres à la météo : ce sont deux des changements d'état de l'eau, avec la fusion (solide vers liquide) et la solidification (liquide vers solide). Ces quatre-là suffisent à expliquer la pluie, la neige, la grêle, le brouillard, la rosée et la buée. Une seule famille de phénomènes, un seul vocabulaire à maîtriser.

Avec l'énergie. Le moteur de toute la météo, c'est le Soleil : c'est lui qui fournit l'énergie de l'évaporation, c'est lui qui chauffe inégalement la surface du globe, et c'est cette inégalité de chauffage qui met l'air en mouvement, donc qui crée le vent. Rappelle-toi la définition du cours : le vent, c'est simplement de l'air en mouvement. L'air chauffé devient moins dense et s'élève, de l'air plus frais vient prendre sa place : voilà, en une phrase, l'origine des vents.

Avec la Terre dans le système solaire. Tu as vu, ou tu verras, que la Terre tourne sur elle-même et autour du Soleil, et que son axe est incliné. C'est cette inclinaison qui donne les saisons, donc la courbe en cloche du diagramme climatique du palier 4. Latitude et saisons, ce sont deux effets du même mécanisme : l'angle sous lequel les rayons frappent le sol.

Avec les mathématiques. La moyenne, le cumul, l'écart à une valeur de référence, la lecture d'un graphique avec deux échelles différentes : tu utilises ici, sur des données réelles, exactement les outils du cours de statistiques.

Un aperçu de la suite

La différence météo/climat va devenir un outil de raisonnement. Dans les années suivantes, tu retrouveras cette distinction au cœur de la question du changement climatique. Le point clé est déjà dans ton cours : un hiver froid isolé est de la météo, et ne dit rien sur l'évolution du climat, qui se juge sur des moyennes d'au moins 30 ans. Savoir répondre à « il a neigé, donc le climat ne se réchauffe pas » avec cette phrase-là, c'est déjà du niveau lycée.

Les mesures vont se raffiner. Aux quatre paramètres du programme s'ajouteront plus tard la pression atmosphérique et l'humidité de l'air, qui expliquent pourquoi certaines masses d'air donnent de la pluie et d'autres non. Le principe restera le même : une grandeur, une unité, un instrument.

Les calculs vont se compliquer un peu. On te demandera des moyennes sur des durées différentes (mois, saison, année), des amplitudes thermiques et des comparaisons entre plusieurs stations. Tu utiliseras aussi la masse volumique pour comprendre proprement pourquoi l'air chaud monte et l'air froid descend.

Le cycle de l'eau en entier. Ici tu as vu trois étapes : évaporation, condensation, précipitations. Le cycle complet en comporte d'autres, notamment le ruissellement et l'infiltration dans les sols, qui ramènent l'eau vers les rivières puis vers la mer. Tu croiseras ce cycle en physique-chimie, en sciences de la vie et de la Terre et en géographie : le même schéma, trois points de vue.