Introduction à l`atmosphère

Introduction à l'atmosphère
L'origine de l'atmosphère
La théorie du "Big Bang" (événement qui s'est produit il y a 15 milliards d’années) nous explique
la formation de notre Univers. Cette théorie repose sur l'hypothèse généralement admise que
l'Univers est en expansion globale. Les galaxies se fuient les unes les autres, mouvement
engendré par une explosion originelle qui a marqué le début de l'expansion. Au début, toute la
matière qui forme l'Univers était concentrée en un point. Il était alors caractérisé par une densité
et une température infinie et un rayon nul. Dans ces conditions pas même les noyaux atomiques
ne pouvaient avoir une existence propre.
Quelques secondes après l'explosion l'Univers est une "soupe" de particules et radiation. Dans
cette "soupe" il se forme des irrégularités qui vont être amplifiées par la gravité. La gravité est
une force d'attraction entre les corps qui dépend de leurs masses et de la distance que les séparent.
La loi de gravité nous permet de calculer cette force:
L'excès de gravité qui est associé à l'excès de matière et de radiation contenue dans une
irrégularité attire d'autres irrégularités qui s'unissent à l'irrégularité originale, contribuant ainsi à
sa croissance. La condensation des particules due à la force de gravité forme les étoiles, les
galaxies, et les planètes.
Tableau 1-1: Pourcentage par volume des gaz
émis par les volcans d'Hawaii.
source: Anthes 1992 p.3
Tableau 1-2: Composition de l’atmosphère
actuelle près de la surface.
source: Anthes 1992 p.4
Notre planète, la Terre, avec son atmosphère primordiale, s'est formée il y a 4,5 milliards
d’années. Si on admet que son origine est due à l'agrégation des particules cosmiques, la Terre
devait être en fusion après sa formation à cause de la pression et de la température due à la
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contraction gravitationnelle. L'atmosphère de la Terre à cette époque a dû s'échapper vers l'espace
de la même façon que les vapeurs d'un liquide en ébullition. Ces températures très élevées
expliquent la petite quantité d'éléments légers comme l'hydrogène, l'hélium, l'argon et le néon
moléculaire dans l'atmosphère terrestre actuelle. L'augmentation de température coïncide avec
une augmentation de la masse et de l'intensité du champ gravitationnel de la Terre. Cette
augmentation a permis la rétention de certains gaz. L'atmosphère primitive doit être d'origine
volcanique donc essentiellement constituée de vapeur d'eau, dioxyde de carbone, monoxyde de
carbone, azote, dioxyde de soufre et des traces d'autres gaz.
La vapeur d'eau se condense et forme les océans. L'hydrogène, très léger, s'échappe vers l'espace.
Le gaz carbonique se combine à d'autres minéraux et est absorbé par les océans et utilisé par les
êtres vivants. L'azote y reste parce que cet élément est chimiquement peu actif. Le soufre se
combine à d'autres éléments et se retrouve dans les roches. L'oxygène est un sous-produit de la
vie. (Les autres gaz rares sont parfois importants pour le climat - à venir)
L'atmosphère (0-700? km)
La raréfaction de l'air avec l'altitude étant progressive, il est impossible d'assigner une limite au
milieu atmosphérique, c'est-à-dire de déterminer son épaisseur.
Composition de l'atmosphère actuelle
Quatre-vingt-dix pour cent de l'atmosphère terrestre est formée d’azote (Nitrogène, N2) et
d'oxygène (O2). Les autres constituants permanents de l'atmosphère sont les cinq gaz nobles
argon, néon, hélium, krypton et xénon ainsi que le dioxyde de carbone (CO2), l'hydrogène (H2),
le méthane (CH4), l'oxyde d'azote (N2O) et le radon (Rn). Le mélange de gaz dans les 80
premiers kilomètres est uniforme sauf pour le cas de l'ozone.
source: Devuyst 1972 p.13
Tableau 1-3
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Les constituants les plus importants dont la concentration est variable sont la vapeur d'eau, le
dioxyde de carbone, l'ozone (O3) et certaines particules en suspension.
L'eau existe dans les trois états (ou phases) liquide, solide et gazeux et ceci à cause des
températures caractéristiques de notre planète.
source: Anthes 1992 p.8
Figure 1-1
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Structure verticale de l'atmosphère terrestre
Profil vertical de la température
La notion de température au niveau moléculaire est associée à la vitesse moyenne de déplacement
aléatoire des molécules. Ceci veut donc dire que si la vitesse de déplacement des molécules est
grande, la température sera élevée et inversement, si la vitesse de déplacement des molécules est
faible, la température sera plus faible.
Figure 1-2: figure représentant la température. Les flèches représentent la vitesse des molécules: plus les flèches
sont grandes, plus la vitesse est grande.
On peut voir dans la figure de gauche que la température est plus faible que celle dans la figure
de droite puisque dans la figure de gauche, on remarque que la vitesse moyenne de déplacement
des molécules est plus faible que celle dans la figure de droite.
Il faut rappeler que les solides sont formés de molécules ayant une position fixe mais elles
peuvent vibrer, ce qui augmente la chaleur.
Le fait qu’on puisse ressentir la sensation de chaleur s’explique par le fait que losque les
molécules de l’air qui ont des vitesses de déplacement rapide entrent en contact avec les
molécules de notre peau elles transfert leur énergie de mouvement aux molécules de peau qui
vibrent davantage(donc la peau est plus chaude).
Exemple: en augmentant l'énergie d'une masse de glace, les molécules oscillent de plus en plus
vite jusqu'au moment où leurs liens rigides soient rompus. La glace devient alors un liquide.
L'énergie qu'on doit ajouter à une masse donnée de glace à 0° C pour rompre les liens et la faire
fondre est appelée chaleur latente de fusion (80 calories/gramme). L'énergie qu'on doit ajouter à
une masse donnée d'eau à 100° C pour rompre les liens et évaporer l'eau est appelée chaleur
latente d'évaporation (540 calories/gramme). Lorsque l'eau condense et redevient liquide, cette
chaleur est libérée.
Les mesures de température dans l'atmosphère nous montrent que celle-ci ne varie pas de façon
monotone avec la hauteur. La courbe de température défini 5 couches principales dans
l'atmosphère terrestre:
La troposphère 0-10 km (variable)
La stratosphère 10-50 km (variable)
La mésosphère (50-85 km)
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La thermosphère (85-600 km)
L'exosphère (>600 km)où les gaz peuvent s'échapper vers l'espace.
Profil vertical de densité
La densité est la quantité de masses contenue dans un volume. Au niveau moléculaire, elle est
définie comme étant le nombre de molécules multiplié par la masse de chaque molécules
occupant un volume. Ceci veut dire que plus il y a de molécules dans un volume quelconque et
plus la masse des molécules est grande, plus la densité sera grande et moins il y a de molécule
dans ce volume et moins la masse des molécules est grande, plus la densité sera petite.
Figure 1-3: figure représentant la densité. Plus il y de molécules, plus la densité est grande.
On remarque que pour un même gaz et deux volumes égaux, dans la figure de gauche, la densité
est plus grande que celle dans la figure de droite puisque le nombre de molécules dans la figure
de gauche est plus élevé que le nombre de molécules dans la figure de droite.
Normalement on la mesure en kilogramme par mètre cube (Kg/m3). L'air est compressible et est
donc plus comprimé près du sol. La densité de l’air augmente donc à mesure qu’on se rapproche
du sol.
Profil vertical de pression
La pression est une force appliquée sur une surface causée par les molécules qui frappent cette
surface. Au niveau moléculaire pour un gaz donné, elle est associée à la fois à la vitesse des
molécules qui frappent une surface et au nombre de molécules qui va frapper cette surface.
C’est-à-dire que plus il y a de molécules qui frappent une surface et plus leur vitesse est grande,
plus forte sera la force exercée sur la surface. À l’inverse, moins il y a de molécules qui entrent
en collision et moins leur vitesse est grande, moins grande sera la force exercée sur la surface.
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figure 1-5: figure représentant la pression. Les petits traits derrière les molécules indique que celles-ci sont en
mouvement et qu’elles vont frapper la surface.
On constate que la pression exercée sur la surface de gauche est plus faible que celle exercée sur
la surface de droite puisque le nombre de molécules qui frappe la surface de gauche est inférieur
à celui qui frappe la surface de droite.
Pour la plupart des phénomènes atmosphérique, la pression est due au poids de l'air au-dessus de
la surface. Au niveau de la mer la pression moyenne est d'à peu près 1000 millibars (mb) ou
hectopascals (hPa) (1000 hPa=100 kilopascals), une pression qui correspond à 1 Kg de poids de
l'air par chaque cm2 de surface terrestre. Lorsqu'on s'élève dans l'atmosphère, la pression est donc
diminuée du poids de la masse d'air laissée en-dessous. Comme l'air est compressible la pression
ne décroît pas d'une quantité exactement proportionnelle à l'altitude, car les couches basses sont,
pour une même épaisseur, plus lourdes que les couches plus élevées: La pression décroît alors de
moins en moins avec l'altitude.
En examinant le profil vertical de la pression on peut vérifier que la moitié de la masse
atmosphérique est concentrée au-dessous de 5.6 km de hauteur. Au-dessus de 60 kilomètres, il ne
reste plus que le millième de la masse atmosphérique.
L'épaisseur de la couche atmosphérique qui contient 99.997 % de la masse d'air est de 100 Km.
Comparant cette épaisseur de l'atmosphère au rayon de la Terre (6400 km), on réalise que
l'enveloppe gazeuse de notre planète est vraiment très mince, mais aussi très important pour le
maintient de la vie.
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Figure 1-4: Distribution verticale de la température, de la vapeur d’eau, de la pression et de la densité dans les 14
premiers km de l’atmosphère.
L'air-un gaz parfait
Si on augmente le nombre de molécules (densité augmente), il y a plus de molécules qui frappe la
surface donc, la pression devient plus forte. Si on augmente la température, on augmente la
vitesse avec laquelle les molécules frappent la surface donc, la pression devient plus forte aussi.
On voit donc que la pression est proportionnelle à l’effet combiné de la densité et de la
température.
La loi des gaz parfait nous permet donc de calculer la pression à partir de la densité et de la
température pour n’importe quel gaz si on connaît ses caractéristiques.
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Atmosphère Standard
Pour les besoins de l'aviation, il existe une atmosphère standard donnée par le tableau suivant:
Tableau 1-4: Atmosphère standard
Appareils de mesure
Température - Types de thermomètres:
Parmi les données nécessaires au travail du météorologiste il y a la température de l'air (près de la
surface et en altitude) et celle du sol ainsi que la température des mers et des lacs, dans les
couches voisines de la surface. La température est mesurée par les changements de propriété que
subit (dilatation, déformation, variation de résistance, etc.) un organe sensible ou "capteur"
lorsque son énergie cinétique varie.
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Thermomètres à mercure: L'augmentation de volume des liquides quand la température s'élève
est utilisée pour réaliser des instruments simples, maniables, à lecture directe, nécessitant peu
d'entretien. Le liquide le plus employé est le mercure. Le thermomètre d'abri météorologique est
un thermomètre à mercure.
Thermomètres bimétalliques: Deux feuilles métalliques, choisies en deux métaux à coefficients
de dilatation aussi différents que possible, sont soudées à plat, et forment le "capteur" appelé
lame bimétallique ou plus simplement bilame. Sous l'action d'une variation de température, les
deux métaux ont tendance de faire varier différemment les deux surfaces limites de l'élément et
celui-ci se déforme. Les variations de courbures peuvent être repérées en fonction de la
température.
Thermomètres à résistance (Thermistance): La conductivité des métaux est due à la présence
d'électrons libres. Dans les isolants, au contraire, les électrons sont liés aux atomes et on ne peut
pas les libérer sans un apport d'énergie qui détruit le composé. D'autres corps, de classe
intermédiaire, dits semi-conducteurs, possèdent des électrons normalement liés, mais libérables
par un apport limité d'énergie. Plus cet apport sera grand, plus la quantité d'électrons libérés sera
grande, plus la résistance apparente sera faible. Pour les thermistances l'énergie est calorifique et
leur résistance diminue (leur conductivité augmente) quand la température s'élève.
Abri météorologique
La température mesurée au sol est celle de l'air à environ 1,5 mètres au-dessus du sol. Afin de
pouvoir mesurer la température réelle de l'air, il est nécessaire d'abriter les thermomètres du
rayonnement solaire, de les ventiler et de les placer à l'abri du rayonnement de la terre et des
précipitations. En conséquence, les thermomètres sont placés dans un abri peint en blanc, disposé
sur une surface gazonnée facile à reproduire, afin de permettre la comparaison des mesures
effectuées en différents lieux. Les thermomètres sont placés à 1,5 mètres du sol parce que la
couche d'air située entre le sol et 1 mètre est fortement perturbée au point de vue thermique.
Figure 1-6
source: Devuyst 1972 p.33
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Pression
Dès l'origine (Galilée, Torricelli, Pascal), l'idée de pression atmosphérique fut rapprochée de celle
du poids de l'atmosphère: Baromètre signifie d'ailleurs mesure d'un poids.
Les météorologistes désirent connaître la pression atmosphérique en de nombreux points de
l'espace, de façon à pouvoir décrire sa répartition sur des surfaces de niveaux donnés (au niveau
de la mer et en altitude) ou de façon à décrire la topographie des surfaces isobares (de même
pression) de valeurs choisies (1000, 700, 500 hectopascals). L'étude de ces surfaces va permettre
la prévision du temps comme on le verra plus tard.
Types de baromètres:
Baromètre de mercure (voir figure ci-dessous): Le baromètre de mercure reste l'instrument de
base des mesures de pression atmosphérique. Dans ce type d'appareil le poids du mercure est
équilibré par la pression atmosphérique. La valeur de la pression est donc donnée par la hauteur
de la colonne de mercure.
source: Anthes 1992 p.14
Figure 1-7: Principe du baromètre
Baromètre anéroïde (voir figure ci-dessous) dans ce type de baromètre, on équilibre la force de
pression exercée sur une boîte scellée par sa force de rappel élastique.
Humidité
L'air humide peut être considéré comme un mélange de deux gaz parfaits: air sec et vapeur d'eau.
La quantité de vapeur d'eau maximale qu'une masse donnée d'air peut contenir dépend de la
température. On dit que l'air est saturé quand la quantité de vapeur d'eau correspond à ce
maximum. Lorsque la quantité de vapeur d’eau est moindre que ce maximum, l'air se dit soussaturé. L'humidité relative est le rapport entre la quantité de vapeur d'eau dans une masse d'air par
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rapport à la quantité de vapeur d'eau maximale que la masse d'air peut contenir (qui dépend
surtout de la température).
Les appareils qui mesurent l'état d'humidité de l'air s'appellent hygromètres. L'humidité est un
paramètre très difficile à mesurer avec précision. Aucune méthode normalement utilisée pour
mesurer l'humidité de l'air est très précise.
source: Anthes 1992 p.15
Figure 1-8: Principe
du baromètre anéroïde
Types d'hygromètres:
Hygromètre électrolytique : la quantité de l'eau absorbée par des substances hygroscopiques
dépend de l'humidité et sa conductivité électrique va dépendre de la quantité d'eau qui se trouve
dans la solution ainsi formée. En général, on utilise que le chlorure de lithium, soit en pellicule
(sèche) sur plaquette plastique, soit en imprégnation (sèche) de fils de coton.
Hygromètre organique ou à cheveux: Certaines matières organiques ont la propriété de se
contracter ou s'allonger quand l'humidité relative de l'air dans lequel elles baignent décroît ou
croît et cette propriété est utilisée dans de très nombreux instruments dont se servent les
météorologistes. Les cheveux possèdent cette particularité. Il semble que les cheveux blonds sont
les plus sensibles aux variations d'humidité.
Psychromètre : Pour les mesures courantes, le psychromètre est l'instrument type des stations
d'observation. La mesure est basée sur le refroidissement produit par l'évaporation permanente de
l'eau que recouvre un thermomètre mouillé. L'écart de température entre un thermomètre sec et
un thermomètre mouillé est lié à la différence entre la quantité de vapeur d'eau existante dans l'air
et la quantité de vapeur d'eau qui existerait si l'air était saturé. Dans la pratique, un thermomètre
de mercure est enveloppé dans un linge qui est gardé humide par un apport continu d'eau pure.
L'air souffle sur le thermomètre et l'évaporation entraîne un refroidissement (chaleur latente
d'évaporation) du thermomètre qui sera plus froid qu'un thermomètre qui mesure normalement la
température de l'air. La différence des deux températures (dépression du thermomètre mouillé)
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nous donne une mesure de l'humidité. Voici une table d'équivalence d'humidité-dépression du
thermomètre mouillé.
Tableau 1-5: Humidité relative en pourcetage (1000 millibars)
source: Lutgens et Tarbuck 1986 p.90
Vent
Par définition la mesure du vent est celle de la vitesse du déplacement horizontal de l'air. Le
mouvement de l'air est caractérisé par sa vitesse et aussi sa direction. La vitesse du vent peut être
estimée d'après les effets qu'elle produit et est caractérisée alors par un nombre, suivant une
échelle conventionnelle comme celle de Beaufort. La vitesse du vent peut aussi être mesurée, elle
est alors donnée en mètres par seconde, milles par heure, milles nautiques par heure (nœuds) ou
kilomètres par heure. La direction du vent est indiquée par les girouettes. Une girouette est
généralement constituée par un corps de forme dissymétrique par rapport à un axe vertical autour
duquel il peut tourner; la partie offrant au vent la plus grande résistance est repoussée dans la
direction opposée à celle d'où souffle le vent. La pallette doit être équilibrée, construite de
manière à ce que le couple dû à l'action du vent soit grand par rapport à son inertie, pour suivre
les variations de direction.
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Types d'anémomètres:
Anémomètre mécanique: Le taux de rotation des coupoles ou ailettes exposées au vent est
proportionnel à la vitesse du vent.
source: Devuyst 1972 p.54
Figure 1-9
Anémomètre sonique: Dans l'air au repos, le son a une vitesse de propagation qui dépend de la
température. Si l'air est en mouvement, la vitesse de propagation du son est la somme de la
vitesse de l'air et de la vitesse du son par air calme. On mesure la vitesse de déplacement d'un
son, ensuite on enlève la vitesse du son en considérant l'air au repos (qu'on peut calculer
analytiquement). La différence donne la vitesse de l'air.
Radar Doppler: On mesure le changement de fréquences (effet Doppler) des ondes de radar
réfléchies par les cibles qui se déplacent avec l'air. On peut obtenir la vitesse dans toutes les
directions.
Précipitation
La mesure des précipitations se fait à l'aide d'une installation pluviométrique et l'enregistrement
des précipitations se fait à l'aide d'un pluviographe. Le fonctionnement de ces appareils est très
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simple. Par exemple, dans le pluviographe ci-dessous, l'eau recueillie est amenée dans un
cylindre où elle provoque la montée d'un flotteur qui agit sur une plume d'enregistreur. On peut
aussi mesurer le poids de l'eau avec les pluviographes à bascules (pour une certaine quantité
d'eau). En hiver, un système de chauffage électrique placé dans l'instrument empêche l'eau de
geler et fait fondre les précipitations solides. La précipitation a une très grande variabilité
temporelle et spatiale (surtout des orages en été) et il est donc difficile de savoir combien de pluie
est tombée dans une région donnée. Lorsqu'il y a du vent, la quantité de neige est aussi difficile à
mesurer.
source: Cotton 1990 p.14
Figure 1-10: a) Illustration de la détection du mouvement des
précipitations par radar Doppler avec un angle d’élévation élévé et b)
illustration de la détection du mouvement des précipitations par radar
Doppler avec un faible angle d’élévation. Les doubles flèches représentent
le flux d’air.
source: Cotton 1990 p.14
Figure 1-11: Illustration d’un balayage ¨Velocity Azimuth Display
(VAD)¨ effectué par un radar Doppler.
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source: Devuyst 1972 p.80
Figure 1-12
Sondages:
En altitude, la mesure des quatre variables: pression, température, humidité, vent, se fait en
général simultanément, au moyen d'appareils appelés radiosonde. Ces appareils peuvent aussi
mesurer le rayonnement solaire, la distribution de l'ozone, etc. si équipés en conséquence. Le
déplacement horizontal d'un ballon transportant les appareils de mesures est suivi par un radar
passif qui reçoit les signaux radio émis par les appareils. Ces signaux sont captés au sol par un
récepteur (radar passif) qui les analyse.
Le sondage nous fournit donc des données de la température (thermistance), d'humidité
(électrolytique - chlorure de lithium), de pression (baromètre anéroïde) et de vent (déplacement
de ballon) en fonction de l’altitude où se trouve le ballon.
Satellites météorologiques
Le but de ces engins est, d'une part, de recueillir des images de la couverture nuageuse à la
surface du globe et, d'autre part, mesurer les flux radiatifs infrarouges qui émanent de la Terre et
de l'atmosphère.
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Figure 1-13
Circumpolaires (mobiles): Leurs orbites sont quasi polaires; travaillant en réseau, ils fournissent
des photographies du même point 2 fois par jour.
Figure 1-14: Illustration de l’orbite de basse altitude
et de faible inclinaison du satellite de la “Tropical
Rainfall Measuring Mission” (TRMM) ainsi que
l’orbite conventionnelle des satellites circumpolaires
(NIMBUS, NOAA, DMPS).
Figure 1-15: Illustration du satellite de la “Tropical
Rainfall Measuring Mission” (TRMM) et quelques-uns
de ses instruments de détection.
source: Cotton 1990 p.19
source: Cotton 1990 p.18
Stationnaires: Sont des satellites fixes par rapport à la Terre et ils donnent en permanence des
images de tout un hemisphère. Ils sont localisés au-dessus d'un même point sur l'équateur et
tournent à la vitesse de la Terre.
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