Haute Atmosphère

Bases

Les différentes couches de l'atmosphère

Les différentes couches de l'atmosphère sont définies grâce à leurs propriétés physiques différentes. La température varie avec l'altitude, tandis que la pression et donc la densité de l'air diminuent. Plus nous montons, et moins il y a de molécules dans un volume donné (par exemple dans 1 m³). L'humidité et la vitesse du vent changent aussi ...

Bien sûr tout ceci ne se voit pas lorsque nous levons les yeux. Nous ne voyons que des nuages ou un ciel bleu, mais pas de couches d'air. Le bleu provient de la partie bleue de la lumière solaire, car les molécules de l'air n'ont pas la même influence suivant les différentes couleurs de la lumière visible (qui ont des longueurs d'ondes différentes). Et les couches de l'atmosphère? Est-ce qu'on peut les visualiser?
On peut appréhender que les propriétés de l'atmosphère changent avec l'altitude lorsque nous sommes en avion. Quel que soit le temps qu'il fait en dessous de nous, si on atteint une altitude de 10-11 km, le ciel est bleu au dessus et il n'y a pas de nuages. Dans ce cas, nous volons dans la tropopause et parfois même dans la basse stratosphère. Il n'y a plus de nuages parce qu'il n'y a plus assez d'eau.

Pourquoi est-ce que la température évolue?

Certaines modifications de la température de l'atmosphère à petite échelle ont des raisons locales. Par exemple, la terre se réchauffe et se refroidit plus vite que la mer. Des vents froids venant de la montagne peuvent faire varier la température au dessus du sol. Mais de façon plus globale, il y a deux raisons principales pour lesquelles la température change:

a) La surface terrestre absorbe la lumière du soleil et se réchauffe. Plus vous vous éloignez de la surface tiédie de la terre en allant vers l'espace qui est froid, plus l'air se refroidit. La température diminue avec l'altitude.

b) La température de l'atmosphère dépend aussi des composés chimiques qu'elle contient. Certaines molécules absorbent une partie des rayons solaires, et réchauffent ainsi elles-mêmes l'air qui les entoure. C'est ce qui se passe dans la couche d'ozone de la stratosphère, où l'ozone absorbe les UV. La température augmente donc avec l'altitude, jusqu'à atteindre une valeur maximale locale. Ce maximum de température définit la limite entre la stratosphère et la couche qui est au dessus. Cette limite s'appelle la stratopause. La couche au dessus de la stratosphère est appelée mésosphère. Dans la mésosphère la température diminue à nouveau. Une nouvelle croissance de température a lieu dans la thermosphère, où l'azote et l'oxygène absorbent les ultra-violets extrêmement énergétiques du soleil et se transforment partiellement en ions. Cette couche est donc appelée ionosphère.

Pourquoi la pression diminue-t-elle? 

Ce qui différencie l'eau de l'air, entre autres, c'est que l'air est compressible alors que l'eau ne l'est presque pas. Si vous plongez dans la mer et que vous êtes à 10 m de fond, la pression est de 1 bar; si vous êtes à 20 m de fond, la pression sera de 2 bars, car la quantité d'eau a doublé. L'air, lui, agit un peu comme si vous cherchiez à empiler des oreillers très légers: les oreillers en bas de la pile deviendraient tout plats à cause du poids des oreillers d'au-dessus. Ils s'applatissent parce qu'il y a de la place entre chacun d'eux. A la fin, sur la couche près du sol vous aurez 10 oreillers dans 30 cm, et sur la couche du haut seulement un seul, bien qu'ils fassent tous le même poids. C'est la même chose dans l'atmosphère. Les climatologistes n'utilisent donc pas uniquement le mètre comme unité pour exprimer l'altitude, mais parlent aussi de pression. La compressibilité dépend certes un peu de la température, mais on peut grossièrement diviser la pression par un facteur 2 tous les 5,5 km d'altitude. 1000 hPa au sol, 500 hPa à 5,5 km d'altitude et ainsi de suite.

Cliquez ici pour plus de détails sur le calcul de la pression (formules).

La thermosphère est-elle vraiment si chaude ?

Les profils de température de l'atmosphère indiquent parfois des températures de 500-1000°C aux altitudes de 200-500 km dans la thermosphère. Mais est-ce vraiment si chaud là-haut? Le problème ici est la définition de la température. Les molécules de l'air ont une certaine énergie. Lorsqu'on mesure la température avec un thermomètre, les molécules transfèrent leur énergie lorsqu'elles frappent la surface du thermomètre. Aux altitudes de la thermosphère, les molécules ont une énergie très élevée, et les températures sont donc correctes, mais le nombre de molécules dans un volume donné est un million de fois plus faible qu'au niveau du sol. La probabilité de collision (par exemple avec un thermomètre) et le transfert total d'énergie sont très faibles. C'est pourquoi la température de la thermosphère est une mesure de l'énergie des molécules, mais n'est pas comparable avec les températures relevées avec un thermomètre au niveau du sol.

4. c) Regardez les fenêtres à droite et comparez les vitesses de vent au niveau du sol (en bleu foncé en bas) avec celles au même endroit mais à 9 km d'altitude (bleu clair en haut) . Quelle est la vitesse en km/h aux trois endroits indiqués?

Cliquez dessus pour agrandir!
(90 K)

Comment varie le vent ?

Les deux cartes météorologiques ci-dessus (300 hPa = environ 9 km et 1000 hPa) montrent que la pression et les vitesses de vent sont très différents entre le niveau du sol et la haute atmosphère. Ainsi, pour les avions, on a besoin de systèmes de prévisions météorologiques particuliers. La vitesse du vent augmente avec l'altitude, et les vents habituels près de la tropopause seraient considérés comme des tempêtes au niveau du sol. Mais en passant dans la stratosphère, il n'y a pas que la température qui  change: la vitesse du vent se met fortement à décroître.

A propos de cette page:

auteur: Dr. Elmar Uherek - MPI Mainz
relecteurs pédagogiques: Michael Seesing - Univ. of Duisburg, Dr. Ellen K. Henriksen - Univ. of Oslo, Yvonne Schleicher - Univ. of Erlangen-Nürnberg
dernière version: 13-12-2003