L’atmosphère est la composante la moins dense du système climatique et la plus rapide à répartir la chaleur et l’énergie sur le globe terrestre. Elle est structurée en altitude et en latitude. Dans la partie qui nous est familière, la troposphère , occupant les dix premiers kilomètres, elle est chauffée par le sol. Au fur et à mesure qu’on monte en altitude, les masses d’air s’y refroidissent d’environ 6 °C par kilomètre, contiennent moins de vapeur d’eau et deviennent de plus en plus sèches. Au-dessus de 10 kilomètres s’étend la tropopause où la température ne varie quasiment plus avec l’altitude, puis la stratosphère , entre 15 et 50 kilomètres, où la température croît à nouveau avec l’altitude. L’ozone y joue un rôle essentiel, parce qu’il absorbe les rayons du soleil dans l’ultraviolet (ils sont dangereux pour la santé), chauffant du même coup la stratosphère .
L’atmosphère est structurée en fonction de la latitude en deux cellules, ou circulations en boucle. La première exporte la chaleur et l’humidité de l’équateur jusque dans les tropiques. La seconde, plus petite, dite cellule polaire, s’étend, en latitude, de 60° jusqu’aux pôles (90°). Entre ces deux cellules, la circulation est dominée par une succession d’épisodes dépressionnaires transitoires allant d’ouest en est. Bien qu’on appelle cette circulation la cellule de Ferrel, son fonctionnement diffère notablement de celui des deux autres cellules. À la frontière entre ces masses d’air chaud provenant des tropiques et des masses d’air froid provenant des zones polaires, on trouve les courants-jets, qui circulent entre 6 et 10 kilomètres d’altitude d’ouest en est.
Entrons dans le détail du moteur atmosphérique du climat. C’est à Hadley, spécialiste et historien du climat, en 1735, qu’on doit la première formalisation de cette boucle de circulation qui extrait la chaleur et l’humidité depuis l’équateur vers les tropiques. Les masses d’eau chaude de l’océan équatorial s’évaporent et cette vapeur qui ne subit pas la force de Coriolis monte dans l’atmosphère et transfère de l’énergie en se condensant. Cela produit une zone de fortes pluies, mais de vents faibles, qui se déplace saisonnièrement et qu’on nomme la zone de convergence intertropicale . Ces masses d’air, en atteignant la tropopause , se dirigent vers le sud ou le nord en s’éloignant de l’équateur. Elles sont soumises à la force de Coriolis et sont déviées vers l’est. L’extension de la cellule de Hadley est directement dépendante de cette force qui est déterminée par la rotation de la Terre. L’évaporation, abondante dans les régions équatoriales et tropicales, transfère de la chaleur de l’océan vers l’atmosphère. Les masses d’air se refroidissent et redescendent vers 30° Nord et Sud. Ainsi, la boucle se referme au sol par une circulation d’est. Ce sont les alizés qui ont été si utiles à Christophe Colomb pour découvrir l’Amérique.
La structure spatiale de la cellule de Hadley est modulée par la distribution continentale et par les saisons. Ainsi, les régions tropicales sont bien arrosées et peuvent maintenir des forêts denses en Amazonie et en Afrique, tandis que les régions subtropicales sont plus sèches et hébergent la plupart des déserts. De même, les masses d’air plus froides autour des 60° de latitude suivent une boucle de convection similaire à celle de la cellule de Hadley. L’air qui redescend aux pôles est très froid et sec. Les anticyclones semi-permanents en Sibérie, Antarctique et Arctique rendent ces régions beaucoup plus stables que les systèmes dépressionnaires qui affectent les zones de latitude moyenne.
William Ferrel (1817-1891) cherchait à comprendre la circulation de l’air dans les latitudes moyennes. Celle-ci y est en effet beaucoup plus complexe, pilotée par le gradient thermique (soit la différence de température entre deux points) entre les masses d’air tropicales chaudes et celles provenant des régions polaires froides. Cette circulation génère des instabilités périodiques et rend le flux atmosphérique plus chaotique et moins structuré que dans les autres zones. Au front entre ces deux masses d’air se développent des courants-jets d’ouest en est.
Ajoutée aux cellules de Hadley et Ferrel qui transportent de l’énergie en latitude, la cellule de Walker transporte de l’énergie suivant les longitudes, d’est en ouest dans le Pacifique tropical. Elle est causée par le courant de Humboldt qui amène des eaux froides antarctiques sur la côte sud-américaine, provoquant une forte différence de température entre les bords est et ouest du bassin Pacifique Sud. Tout comme pour la cellule de Hadley, on observe une convection d’air chaud et humide sur le bord ouest (Asie et Australie), tandis que le bord opposé (les côtes de l’Amérique du Sud) est soumis à la plongée d’air plus froid et plus sec. Cette structure est périodiquement perturbée par une oscillation de température sur tout le bassin, d’ampleur régionale, appelée El Niño.
