Sébastien Lauwers

22-Novembre 2020

Update : 26.11.20

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L'Atmosphère

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Le plus frappant dans notre atmosphère, c’est sa finesse. Elle s’étend sur environ 1.000 km, ce qui paraît assez généreux vu du niveau du sol, mais si l’on réduit la Terre à la taille d’un globe de bureau, elle n’est guère plus épaisse que deux ou trois couches de vernis et son poids est égal à une couche d'eau de plus de 10 mètres de profondeur couvrant toute la planète(National geographic). Par convention, on divise l’atmosphère en quatre couches inégales : la troposphère, la stratosphère, la mésosphère et l’ionosphère (souvent appelée la thermosphère).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

La troposphère est la partie qui nous est chère. Elle seule contient assez de chaleur et d’oxygène pour nous permettre de fonctionner, bien qu’elle se fasse de moins en moins accueillante à mesure que l’on monte. Du niveau du sol jusqu’à son sommet, la troposphère fait environ 17 km d’épaisseur à l’équateur et pas plus d’une dizaine de kilomètres sous les latitudes tempérées, là où vit la majeure partie de la population. Quatre-vingts pour cent de la masse de l’atmosphère, la quasi-totalité de l’eau et donc à peu près toute la météorologie sont contenus dans cette couche fine et légère. Il y a vraiment peu de chose entre nous et le néant. Au-delà de la troposphère se trouve la stratosphère. Quand vous voyez le sommet d’un nuage d’orage s’aplatir en une forme classique d’enclume, vous regardez la limite entre la troposphère et la stratosphère.

Ce plafond invisible, appelé tropopause, a été découvert en 1898 (approuvé en 1902) par les ballons-sondes d’un Français, Léon Philippe Teisserenc de Bon(INIST 2002).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Après avoir quitté la troposphère, la température ne tarde pas à remonter, entre 0 et 20 degrés, grâce aux effets absorbants de l’ozone (une autre chose que Teisserenc de Bon découvrit lors de son ascension de 1902). Elle retombe ensuite à moins 80 degrés dans la mésosphère, avant de remonter à 1 500 degrés ou plus dans la thermosphère, bien nommée mais très erratique, où les températures peuvent varier de 530 degrés entre le jour et la nuit – bien qu’il faille préciser qu’à cette hauteur la « température » devient un concept pour le moins hypothétique. La température n’est en fait qu’une mesure de l’activité des molécules. Au niveau de la mer, les molécules d’air sont si nombreuses qu’une molécule se déplace sur une minuscule distance – 1,2 millionième d’un centimètre, pour être précis – avant de se cogner dans une autre. Des milliards de molécules étant en collision constante, il s’échange de grandes quantités de chaleur. Mais dans la thermo- sphère, à 100 km de hauteur, l’air est si rare que chaque molécule sera à des kilomètres de l’autre et elles n’entreront que rarement en contact. Bien que chaque molécule soit très chaude, il y a peu d’interactions entre elles et donc peu de transfert de chaleur. C’est une bonne nouvelle pour les satellites et les engins spatiaux, parce que si l’échange de chaleur était plus efficace, tout objet orbitant à ce niveau s’enflammerait aussitôt.  

Bien que l’atmosphère soit très fine, si un vaisseau y pénètre trop vite ou à un angle supérieur à environ 6 degrés, il peut briser assez de molécules pour générer une traînée d’une nature extrêmement combustible. À l’inverse, si une navette frappe l’atmosphère selon un angle trop rasant, elle risque de rebondir dans l’espace comme un caillou fait des ricochets sur l’eau. 

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Dans les années 1780,   lors des premières ascensions en ballon en Europe, les gens furent surpris de voir que la température baissait à mesure qu’ils montaient – d’environ 6,5 degrés tous les 1 000 mètres. La logique voudrait que plus l’on se rapproche d’une source de chaleur, plus l’on a chaud. Mais ce phénomène s’explique en partie par le fait que l’on ne se rapproche pas du Soleil d’une façon significative. Le Soleil se trouve à 150 millions de kilomètres. S’en rapprocher de quelques centaines de mètres revient à faire un pas en direction d’un feu de brousse en Australie quand on se trouve en Europe et s’attendre à sentir la fumée. Cela nous ramène une fois encore à la question de la densité des molécules dans l’atmosphère. La lumière solaire stimule les atomes : elle les fait se trémousser avec une ardeur accrue et cet état d’agitation les pousse à entrer en collision, libérant ainsi de la chaleur. Quand vous sentez le soleil vous chauffer le dos un jour d’été, vous sentez en fait des atomes excités. Plus vous montez, plus les molécules se raréfient, et donc les collisions entre elles. L’air est un élément trompeur.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Comme le note Anthony Smith, un front typique consiste en 750 millions de tonnes d’air froid coincées sous un milliard de tonnes d’air chaud. Il n’est pas étonnant que le résultat soit parfois excitant. Il n’y a certes pas de crise d’énergie dans le monde au-dessus de nos têtes. Dans l’ensemble, notre connaissance de ce qui se passe est étonnamment récente. Les courants-jets, en général situés à plus de 6 km de hauteur, peuvent filer jusqu’à 250 km/h et fortement influencer des systèmes météo sur des continents entiers ; pourtant, leur existence n’a pas été soupçonnée avant que les pilotes ne commencent à voler dedans lors de la Deuxième Guerre mondiale. Aujourd’hui encore, de nombreux phénomènes atmosphériques restent très mal compris.

Mais ce n'est pas tout, comme nous l'avons déjà vu, cet océan aériens présent au-dessus de nos têtes, s'étend en hauteur sur plusieurs centaines de kilomètres.  De fait, l'atmosphère terrestre pèse plus de 5.000.000.000.000.000 de tonnes, ce qui équivaut à 5 millions de kilomètres de cubes d'eau répartit sur toute la planète. Cependant ce chiffre impressionnant est à relativiser, puisque sont poids n'équivaut plus qu'a 1 millionième de la masse de la Terre en , ce que le commun des mortels appel de l'air. C'est cet air qui est en perpétuel mouvement et qui exerce une pression sur l'ensemble des objets terrestre.

 

Ce qui fait bouger l’air dans l’atmosphère est la même chose qui fait tourner le moteur interne de la planète, à savoir la convection. L’air chaud et humide venu des régions tropicales s’élève jusqu’à heurter la barrière de la tropopause où il s’étale. En s’éloignant de l’équateur et en se refroidissant, il descend. Quand il touche le bas, cet air descendant cherche une aire de basse pression à remplir et se dirige à nouveau vers l’équateur, complétant ainsi son circuit. À l’équateur, le processus de convection est généralement stable et le temps clair, mais dans les zones tempérées les modèles sont bien plus saisonniers, localisés et hasardeux, d’où une bataille sans fin entre les systèmes de hautes et basses pressions. Les basses pressions sont dues à l’élévation de l’air, qui convoie les molécules d’eau dans le ciel, formant ainsi des nuages et enfin de la pluie.

L’air chaud conserve mieux l’humidité que l’air froid, ce qui explique que les orages tropicaux ou les orages d’été soient les plus violents. Ainsi, les zones de basses pressions tendent à être associées aux nuages et à la pluie, les hautes pressions en général au grand soleil et au beau temps. Quand deux systèmes se rencontrent, cela se voit en général dans les nuages. Par exemple, les stratus se forment quand les courants ascendants porteurs d’humidité manquent de punch pour percer la couche d’air plus stable au-dessus d’eux et s’étalent comme de la fumée montant au plafond. En fait, si vous regardez un fumeur, vous avez une très bonne idée de ce fonctionnement en regardant la fumée monter de sa cigarette dans une pièce. D’abord, elle monte tout droit (on appelle ça un flux laminaire, si vous devez impressionner quelqu’un), puis elle s’étale en une couche ondulante et diffuse. La plus grosse calculatrice du monde, prenant des mesures dans l’environnement le plus soigneusement contrôlé, ne peut prédire la forme que vont prendre ces ondulations ; on peut donc imaginer les difficultés qu’affrontent les météorologues quand ils essaient de prédire de tels mouvements dans un monde immense, tourbillonnant et venteux. 

 

En revanche, nous savons que c’est la distribution inégale de la chaleur du Soleil qui crée les différences de pression sur la planète. L’air ne peut supporter ces différences, et se rue donc tout autour du globe en s’efforçant de les égaliser. Le vent est simplement le moyen adopté par l’air pour tout tenir en équilibre. L’air s’échappe toujours des zones de hautes pressions vers les zones de basses pressions (comme il est logique : pensez à quelque chose de gonflé sous pression – un ballon ou une bouteille d’oxygène – et pensez à l’insistance avec laquelle cet air pressurisé cherche à en sortir), et plus l’écart des pressions est grand, plus le vent souffle fort. Soit dit en passant, la vitesse du vent, comme la plupart des choses qui s’accumulent, s’accroît de façon exponentielle, de sorte qu’un vent soufflant à 300 km/h n’est pas dix fois, mais cent fois plus fort qu’un vent soufflant à 30 km/heure, et donc bien plus destructeur. Introduisez plusieurs millions de tonnes d’air dans cet accélérateur et le résultat peut être d’une énergie folle. Un ouragan tropical peut libérer en vingt-quatre heures assez d’énergie pour couvrir les besoins annuels de nations comme la Grande-Bretagne ou la France. 

 

La pulsion atmosphérique, cherchant l'équilibre a et élaborée au XVIIIe siècle par son George Hadley, qui constata que les colonnes d’air montant et retombant tendaient à produire des « cellules » (appelées depuis « cellules de Hadley »).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bien qu’avocat de profession, Hadley s’intéressait beaucoup à la météo (il était anglais, après tout) et il suggéra un lien entre ces cellules, la rotation terrestre et les apparentes déviations d’air qui nous donnent nos alizés. Mais ce fut un professeur de l’École polytechnique de Paris, Gustave-Gaspard de Coriolis, qui comprit les détails de ces interactions en 1835, de sorte que le tout s’appelle la force de Coriolis. (L’autre raison qui le fit passer à la postérité à Polytechnique fut l’introduction dans l’école de distributeurs d’eau réfrigérée, apparemment encore appelés les Corios.) La Terre tourne à une vitesse de 1 676 km/h à l’équateur, même si cela se ralentit considérablement à mesure qu’on se rapproche des pôles, pour atteindre environ 1 000 km/h à Paris ou à Londres par exemple. La raison en est évidente, quand on y pense. Si vous êtes à l’équateur, la Terre en tournant vous fait franchir une grande distance – environ 40 000 km – pour vous ramener au même endroit. Si vous vous tenez à proximité du Pôle, il peut vous suffire de faire quelques pas pour opérer une révolution complète, même si dans les deux cas il vous faut vingt-quatre heures pour l’accomplir. Il s’ensuit donc que, plus près vous êtes de l’équateur, plus vite il vous faut tourner. La force de Coriolis explique pourquoi tout ce qui se déplace dans l’air en ligne droite latéralement à la rotation de la Terre semblera s’incurver sur la droite dans l’hémisphère Nord et sur la gauche dans l’hémisphère Sud tandis que la Terre tourne en dessous. Le moyen classique de le visualiser est d’imaginer que l’on se trouve au centre d’un vaste manège et qu’on lance une balle à quelqu’un placé sur le bord extérieur. Le temps que la balle atteigne le périmètre du manège, le destinataire a bougé et la balle passe derrière lui. De son point de vue, c’est comme si la balle s’était détournée de lui. Telle est la force de Coriolis, et c’est ce qui donne aux masses d’air leur forme de tourbillon et envoie les ouragans tourner comme des toupies. Elle explique aussi que les torpilleurs doivent viser à droite ou à gauche : sinon, une torpille tirée à une vingtaine de kilomètres dévierait d’une centaine de mètres et irait se perdre dans la mer.

 

 

Les taux de réchauffements atmosphériques

Dans les années 1920, Gordon Dobson, physicien, météorologue et membre actif de la Royal Society, conçois le premier spectrophotomètre photoélectrique qui permettait de mesurer directement l'intensité relative à deux longueurs d'onde. Il utilisa les mouvement des météorites pour déterminer l'augmentation des températures avec l'altitude dans la stratosphère.

En effet, Certaines parties de l'atmosphère sont plus chaudes ou plus fraiches que d'autres. Cette structure thermique est soumise à l'influence de la distribution du rayonnement solaire atteignant la terre, des gaz, des nuages, des particules, des caractéristiques de la surface qui l'absorbent et du rayonnement de grande longueur d'ondes émis dans l'espace. 

Au niveau des tropiques, les rayons du soleil traversent l'atmosphère presque verticalement; les gaz peuvent être donc moins les absorber qu'au niveau des pôles ou leurs trajectoires est inclinées:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Dans l'atmosphère supérieur, l'absorption des ondes courtes se fait par l'ozone et l'oxygène, tandis que dans l'atmosphère inférieur, le rayonnement est absorbé par la vapeur d'eau et le CO2 et les gaz à l'état de trace tel que l'ozone, le méthane et l'oxyde niteux (protoxyde d'azote), il est également réémis en grande partie dans l'espace par ces même gaz, provoquant un refroidissement de la couche atmosphérique.

Lorsque la quantité du rayonnement absorbé excède celle du rayonnement émis, cette couche se réchauffe; l'essentiel de la vapeur d'eau étant proche de la surface, la chaleur est maintenue au niveau des couches inférieurs et l'atmosphère se regroidit au fur et à mesure que l'on s'élève dans la troposphère. La température remonte ensuite au niveau de la stratosphère car l'ozone absorbe le rayonnement solaire.

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