L'atmosphère terrestre

L'atmosphère terrestre est l'enveloppe gazeuse (air) entourant notre Terre.
Composition
        L'air sec est composé de :
            78,087 % d’azote N²
            20,95 % de dioxygène O²
            0,93 % d'argon Ar
            0,04 % de dioxyde de carbone CO²
            + traces d'autres gaz.

L'atmosphère nous protège des rayonnements solaires ultraviolets et réchauffe la surface par rétention de chaleur.


D'autres éléments naturels ou non sont présents en  faible quantité, poussière, pollen, spores, virus, bactéries…. De nombreux aérosols naturels ou anthropiques sont présents dans l'air, ainsi que des polluants, monoxyde de carbone , matières particulaires, oxydes d'azote, chlore, fluor, mercure, soufre... . La nature est aussi sources de méthane du à la fermentation.

Limites de l'atmosphère

Il n'y a pas vraiment de frontière entre l'atmosphère et l'espace. L’atmosphère devient de moins en moins dense  et se termine dans l'espace.
On considère cependant  2 limites un peu artificielles :
    -L'altitude de 120 Km qui est la limite où les effets atmosphériques se font sentir lors  d'une entrée atmosphérique.

    -La ligne de Kàrmàn, à 100 km, est aussi  considérée comme la frontière entre l'atmosphère et l'espace.

L'atmosphère est divisée en plusieurs couches ou strates : leurs limites ont été fixées en fonction des discontinuités de  variations de  température par rapport à  l'altitude.

    -La troposphère : Ici, la température décroît avec l'altitude de 15° au niveau de la mer jusqu'à -65°(de la surface du globe à 8-15 km d'altitude). Son épaisseur varie entre 13 et 16 km à l'équateur, et 7 / 8 km aux pôles. Sa limite supérieure se nomme la tropopause.

Elle contient 80 à 90 % de la masse totale de l'air et la quasi-totalité de la vapeur d'eau. C'est la couche où se produisent les phénomènes météorologiques (nuages, pluies, etc.) et les mouvements atmosphériques horizontaux et verticaux (convection thermique, vents). C’est aussi dans cette couche que la majorité des aéronefs circulent.

Le mélange vertical de la troposphère est assuré par le réchauffement solaire. Ce réchauffement rend l'air moins dense, ce qui le fait remonter.
Quand l'air monte, la pression au-dessus de lui décroît, par conséquent il s'étend, s'opposant à la pression de l'air environnant.
Pour s'étendre, de l'énergie est nécessaire, donc la température et la masse de l'air décroissent, selon la loi de Boyle-Mariotte. Comme la température diminue, la vapeur d'eau dans la masse d'air peut se condenser ou se solidifier, relâchant la chaleur latente permettant une nouvelle élévation de la masse d'air.
Ce processus détermine le gradient de température par rapport à l'altitude, appelé gradient thermique adiabatique.

 
    -La stratosphère : la température y croît avec l'altitude de -65° à la tropopause jusqu'à 0 °C entre 15 km d'altitude et 50 km d'altitude. C’est elle qui abrite la couche d'ozone. Sa limite supérieure se nomme la stratopause.

    -La mésosphère : la température y décroît jusqu'à −80 °C avec l'altitude de 50 km à 80 km d'altitude. Sa limite supérieure se nomme la mésopause.

 
    -La thermosphère : la température y croît avec l'altitude de 80 km à 350-800 km d'altitude.

    -L'exosphère : de 350-800 km d'altitude à 50 000 km d'altitude.


La pression atmosphérique et sa variation

Origine de la pression atmosphérique
La pression atmosphérique résulte des chocs des molécules d’air entre elles et avec les objets dans l’atmosphère. C’est, avec la température, un paramètre fondamental pour prévoir le temps qu’il fera.

Historiquement, les premières mesures de la pression atmosphérique ont été effectuées par Torricelli dans les canaux de Venise. De là fut mis au point un instrument pour la mesurer, le baromètre. Celui-ci utilise du mercure (Hg) pour mesurer la pression atmosphérique. La première unité de mesure de la pression atmosphérique fut le millimètre de mercure (mmHg) ou le pouce de mercure (InHg) pour les Anglo-Saxons. 2" />
Les baromètres actuels utilisent une capsule anéroïde.



Dans le système international d’unités, la pression se donne en Pascal.
En météo il est plus pratique d’utiliser l’hectopascal (1 hPa = 100 Pa).
On utilise également le millibar (1 mbar = 1 hPa).
Nous retiendrons que :

En moyenne à 0 m : Patm = 1013 hPa = 1013 mbar = 760 mmHg = 29,92 InHg et 1 hPa = 1 mbar = 100 Pa
La pression atmosphérique moyenne, au niveau de la mer, est de 1 013 hectopascals.
La pression atmosphérique est le résultat direct du poids total de l'air, toutefois, la masse moyenne au-dessus d'un mètre carré de la surface terrestre peut être calculée à partir de la masse totale de l'air et la superficie de la Terre.
La masse totale de l'air est de 5 148 000 gigatonnes et la superficie de 51 007,2 méga-hectare. Par conséquent 5148000/51007,2 = 10,093 tonnes par mètre carré.

Ceci est environ 2,5 % inférieur à l'unité standardisée officielle de 1 atm représentant 1 013,25 hPa, ce qui correspond à la pression moyenne, au niveau de la mer et à la base de l'atmosphère à partir de l'élévation moyenne du sol terrestre et du niveau de la mer.
La densité décroît avec l'altitude, ayant déjà diminué de 50 % dès 5,6 km. Cette chute de pression est presque exponentielle, ainsi la pression diminue de moitié environ tous les 5,6 km et de 63,2 % tous les 7,64 km.

On considère que:
-50 % de la masse de l'atmosphère est en dessous de 5,6 km d'altitude ,
-90 % de la masse de l'atmosphère est en dessous de 16 km d'altitude.

En aéronautique, l'altitude habituelle des transports aériens commerciaux est de 10 km au-dessus du niveau de la mer. Le vol le plus élevé de l'avion X-15 a atteint, en 1963, une altitude de 108,0 km.

En joignant  les points pour lesquels l‘altitude à laquelle  il règne une  même pression, on trace des courbes appelées les isohypses

 

Les anticyclones

Ce sont des zones de hautes pressions que l’on note A( A pour anticyclone) ou H (H pour high).
Dans ces zones le vent est faible, le temps est beau avec un ciel souvent dégagé.

Les dépressions

Ce sont des zones de basse pression que l’on note D ( D pour dépression) ou B (L pour low).
Dans ces zones le vent est fort, le temps mauvais, le ciel souvent couvert encombré avec des précipitations fréquentes

Les cols

Zones situées entre des dépressions ou anticyclones et marquant une inversion de sens d’évolution de la pression. Dans ces zones les vents sont calmes et de direction variable. Le temps y est variable.

Les marais barométriques

Ce sont de vastes zones ou la pression évolue très peu. Les vents y sont faibles et de direction erratiques. Il s’agit d’une zone de mauvais temps stagnant difficilement prévisible.



Les dorsales

Ce sont des avancées d’un anticyclone dans des zones de basse pression. Le temps dans cette région est en général beau.

Les talwegs ou thalwegs

De l’allemand Talweg, de Tal, vallée, et Weg, chemin
Ce sont des avancées des zones de basse pression. Il s’agit souvent de l’effet d’un front froid. On y rencontre des vents assez forts et du mauvais temps.

LA TEMPERATURE
Les variations de température influent beaucoup sur les phénomènes météorologiques. Ces variations peuvent être regroupées en deux catégories.
-Les variations lentes, qui rythment les saisons.
- Les variations locales qui interviennent sur une échelle de temps restreinte.

L’influence combinée de ces variations entraîne des changements de temps selon les lieux et les saisons.

Variations saisonnières de la température
La position de la terre par rapport au soleil induit des changements dans la quantité d’énergie solaire reçue par les points de la surface du globe..
Dans l’atmosphère les rayonnements solaires énergétiques sont absorbés en totalité ou partie.
Plus la couche d’atmosphère à traverser est épaisse et moins il y a d’énergie qui parvient à la surface par rayonnement. Plus le soleil est bas sur l’horizon et moins la terre reçoit d’énergie au m².

La terre tourne autour d’elle-même selon l’axe de ses pôles. Elle tourne autour du soleil sur un plan incliné de 23,5° par rapport à l’équateur que l’on appelle plan de l’écliptique.
L’épaisseur de l’atmosphère qu’ils doivent traverser pour parvenir à la surface n’est donc pas la même selon la latitude.
Les pôles reçoivent une quantité d'énergie plus faible que l’équateur. La direction de l’axe des pôles restant fixe dans l’espace au cours de la rotation de la terre autour du soleil, cette épaisseur dépend également de la position de la terre par rapport au soleil, c’est à dire de la saison.

Les saisons sont alors inversées entre l’hémisphère nord et l’hémisphère sud
La durée pendant laquelle un point de la surface de la terre est éclairé par le soleil dépend de la latitude et de la saison.

Variations locales de la température

Selon la nature du sol (rocher, champs cultivés, forêts, bitume, eau,...) l’énergie arrivant du soleil ne produira pas le même échauffement. Une part plus ou moins importante de ce rayonnement sera réfléchie par le sol. Il n’y en a donc qu’une partie qui est absorbée.
La température du sol n’est pas uniforme. Au contact des zones chaudes, l’air se réchauffe par convection. Sa masse volumique diminue alors et il s’élève pour laisser la place à de l’air plus froid.
Au-dessus des zones les plus chaudes il y a donc des mouvements ascendants de la masse d’air et au-dessus des plus froides des mouvements descendants. Les nuages peuvent bloquer l’arrivée des rayonnements jusqu’au sol. Les nébulosités engendrent des différences de température locales au sol. Ces variations locales ont une grande influence sur l’évolution de la météo sur des durées de l’ordre de quelques heures.
Elles sont prises en compte par les météorologistes pour prévoir le temps et son évolution sur une durée de quelques heures.

Variation de la température avec l’altitude

Dans l’atmosphère standard la température évolue avec l’altitude. Pour la troposphère, le gradient de -6,5°C / 1000m est un gradient moyen. Il se peut que la température évolue de façon différente et que le gradient ne soit pas constant de 0 à 11 000m.


Humidité de l’atmosphère

L’humidité désigne en météorologie la quantité de vapeur d'eau contenue dans l'air.
La vapeur d'eau est l'une des formes que l'eau peut prendre sur terre. Les autres sont la forme liquide (océans, lacs, pluie…) et la forme solide (glaciers, banquise, neige…).
La vapeur d'eau est transparente donc invisible. L'atmosphère contient une proportion de vapeur d'eau variable de 0,1 % à 5%.
C'est sa présence dans l'atmosphère qui conditionne la présence ou non de nuages, de précipitations, de brouillard.


L'air contient, selon la température, une quantité maximale variable de vapeur d'eau. Car la vapeur d'eau se condense lorsque la température baisse et passe de la forme gazeuse à la forme liquide : c'est la saturation et se transforme en eau liquide.

C'est la condensation. En altitude, les gouttelettes forment les nuages, au sol, c’est de la rosée (ou de la gelée blanche en cas de température négative) ou, s'il y a un peu de vent, de la brume voire du brouillard car les gouttelettes liquides restent en suspension.

Point de condensation : Point de rosée

Au lieu de refroidir une particule d‘air humide à pression constante, on la fait s‘élever. Il y a diminution de la température et de la pression.
L‘humidité relative augmente. A un certain niveau l‘humidité relative arrive à 100 %, l‘air a atteint le point de condensation.



Surfusion :

Quand la saturation atteint 100 %, la vapeur d‘eau se transforme en eau liquide à température positive, en glace à température négative.

On rencontre souvent des zones de précipitations surfondues, c'est-à-dire de l‘eau liquide à une température négative (entre 0°C et -40°C, mais généralement entre -4° C et -7° C).

Cette eau liquide, faite de fines gouttelettes d’eau surfondue en suspension dans l‘air, est dangereuse. Les gouttelettes se transforment en verglas sur les bords d‘attaque de l‘avion lorsqu’il vole dans cette zone.


- L'humidité absolue
L'humidité absolue désigne la quantité de vapeur d'eau contenue dans l'air. Elle s'exprime en gramme d'eau par mètre cube d'air (g/m3). Cette quantité est invariante, elle n'est pas soumise aux variations de la température. En effet, l'air est un mélange d'air sec et de vapeur d'eau et un mètre cube d'air contient toujours quelques grammes de vapeur d'eau. Cette masse de vapeur d'eau ne change pas si la température du volume d'air change (sous réserve qu'il n'y ait pas condensation, à savoir de transformation d'une partie de la vapeur d'eau en eau liquide).

- L'humidité relative
L'humidité relative est le rapport de la quantité de vapeur d'eau contenue dans l'air sur la quantité de vapeur d'eau maximale possible. C'est cette donnée que mesurent les météorologues.
L'humidité relative s'exprime en pourcentage. 100 % correspond à un air saturé en vapeur d'eau (risque de nuage, pluie, brouillard, rosée ou givre), 0 % à un air parfaitement sec (cette valeur d'humidité relative n'est jamais atteinte dans la nature, pas même dans les déserts).
Plus l'air est chaud, plus il peut contenir d'eau sous forme vapeur. Inversement, quand l'air se refroidit la vapeur condense et forme des gouttelettes d'eau liquide : on dit que le seuil de la saturation augmente avec la température.

L'humidité relative d'une masse d'air varie donc avec la température de l'air. Lorsque la température augmente, en journée, l'humidité relative diminue, alors que le contenu en eau de la masse d'air - l'humidité absolue - reste inchangé.
Un taux d'humidité de 10 à 20 % correspond à un air très sec. Inversement, lorsque les températures chutent, en cours de nuit, l'humidité relative augmente et peut atteindre la saturation soit une humidité relative de 100 %.
A 30°C, l'air peut contenir jusqu'à 30g/m3 d'eau sous forme de vapeur, soit 10 fois plus qu'à –5°C.

Diagramme de Mollier :

Il permet de déterminer le point de rosée lorsque l‘on connaît l‘humidité relative et la température de l‘air

En météorologie, on quantifie l'humidité de l'air des deux manières : l'humidité absolue et l'humidité relative.

Mesure du taux d’humidité.

2 types d’appareils sont utilisés, le psychromètre et l’hygromètre.
Le psychromètre
Le psychromètre qui permet de déterminer l'humidité relative de l'air environnant. Il est composé de deux thermomètres identiques fixés à un support. Sur l'un des thermomètres, on place une mousseline (un tissu) qui trempe dans l'eau. C'est pourquoi on l'appelle thermomètre à boule mouillée, tandis que l'autre est le thermomètre à boule sèche.
Lorsque l'air arrive sur le thermomètre à boule mouillée, il fait évaporer l'eau de la mousseline, ce qui refroidit le thermomètre. Donc, sa température est plus basse que celle du thermomètre sec. On prend la différence entre ces deux températures et on la reporte sur une table psychrométrique qui nous donne la mesure de l'humidité relative. Lorsque l'air est saturé d'humidité, il n'y a pas de différence entre les températures indiquées par les deux thermomètres.

L’hygromètre

L’hygromètre appelé aussi humidimètre est un appareil qui sert à mesurer l'humidité relative de l'air (l'hygrométrie relative). Plusieurs principes physiques sont employés.

Hygromètre à cheveux
L'hygromètre le plus simple est l'hygromètre à cheveux. Il utilise la propriété du crin de cheval ou du cheveu humain qui s'allonge ou se raccourcit selon l'hygrométrie. L'allongement du cheveu est de l'ordre de 2 % lorsque l'humidité (relative) varie de 0 à 100 %.
L'hygromètre à cheveux est peu fiable étant donné qu'il est aussi fortement sensible à la température. On tient compte de ce problème en intégrant un système de bilame qui compense la température. On obtient alors une précision de ± 7 % dans une gamme de 10 % à 90 % d'humidité relative.

Hygromètre à condensation


Ce système inventé par J F Daniell en 1827, est fondé sur la mesure de la température du point de rosée. Cet appareil sert à mesurer l'humidité dans un mélange gazeux. On injecte le gaz sous un débit contrôlé. Ce gaz entre en contact avec un miroir placé dans l'appareil. Un faisceau lumineux est réfléchi sur le miroir et il est envoyé à un récepteur.
Puis, on refroidit le miroir jusqu'à ce que de la condensation se forme sur ce miroir.
Le faisceau lumineux est atténué par la condensation. Un microcontrôleur enregistre la température ambiante et la température du miroir (température humide). Avec ces deux résultats, on peut trouver l'humidité relative à l'aide du diagramme psychrométrique contenu dans le microcontrôleur. Le résultat est ensuite affiché sur un écran en pourcentage. Une boucle d'asservissement permet de contrôler la température du miroir et de maintenir une buée d'épaisseur constante. L'erreur est de ±0,3 % pour des humidités comprises entre 0 % à 100 %. Encore aujourd'hui, il existe des modèles manuels. Dans un tel système l'opérateur doit vérifier de manière visuelle l'apparition de buée sur le miroir et noter les températures.

Schéma d'un hygromètre à condensation

Hygromètre à capteur d'impédance variable
Il en existe 2 types.
    -L’hygromètre capacitif
On mesure la capacité d'un condensateur dont le diélectrique est hydrophile. Pour mesurer l'humidité de l'air, on utilise généralement l'oxyde d'aluminium comme diélectrique. Le condensateur doit avoir une armature poreuse pour faciliter le passage de l'air dans le diélectrique. On utilise une électrode craquelée pour obtenir cette caractéristique. Un pont de Sauty relie les différentes cellules. Le pont est ensuite alimenté par un courant alternatif de haute fréquence. La tension générée nous indique le pourcentage d'humidité. Cette technique de mesure offre des performances correctes (±3 % d'erreur) pour une gamme variant entre 5 % à 99 % d'humidité relative.

    -L’hygromètre résistif
Pour mesurer l'humidité de l'air, on emploie généralement des résistances au chlorure de lithium. Ce matériau hygroscopique possède une grande résistance lorsqu'il est sec et une faible résistance lorsqu'il est humide. Comme ce type de capteur ne permet de mesurer l'humidité que pour une faible plage, il faut raccorder plusieurs cellules qui ont une sensibilité différente. Comme la résistance varie avec la température, il faut employer une thermistance pour tenir compte de ces variations de température. On obtient alors une plage qui varie de 5 % à 95 % avec une précision de ± 5 %.