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Voir aussi : diagramme
des vents - Le diagramme "Skew-T"
- Calcul de la pression atmosphérique
avec la loi de Laplace - Caractéristiques
de l'atmosphère standard : équivalence entre pression
et altitude - Le
capteur d'ozone ECC pour radiosondage -
Avant 1890, l'atmosphère terrestre était
une simple couche d'air où la pression et la température
décroissaient régulièrement quand on s'éloignait
de la surface de la terre. Les moyens d'exploration en altitude,
ballons-sondes puis fusées-sondes, ont permis de la connaître
plus en détail et de la décomposer en différentes
strates, déterminées principalement par la température.
Structure de l'atmosphère
En partant du niveau
de la mer on distingue :
- La troposphère, de 0 à une douzaine de kilomètres
sous les latitudes moyennes (environ 9km aux pôles et 17km
à l'équateur). La température de l'air y
décroit régulièrement (en moyenne).
- La stratosphère, de +12 à +50 km, est séparée
de la troposphère par une mince couche appelée tropopause.
La température remonte plus ou moins régulièrement
jusqu'à redevenir positive
- La mésosphère, de +50 à +85km, séparée
de la stratosphère par la stratopause. La température
y redescend jusqu'à -90°C au niveau de la mésopause
car l'air n'y capte que très peu les radiations solaires
[5]. Ce refroidissement est dû à la re-émission
dans l'infrarouge par les molécules de gaz carbonique [4].
- La thermosphère de +85 à +500km chauffée
par le rayonnement ultraviolet solaire des fréquences les
plus élevés où la température remonte
fortement dans la journée. [5]
L'atmosphère peut être aussi découpée
en deux tranches :
- L'homosphère qui, avec une épaisseur de 100km,
incorpore les trois couches précitées. On considère
que les mouvements de la masse d'air favorise le mélange
des constituants de l'air que sont l'azote et l'oxygène
et en maintiennent constantes les proportions.
- L'hétérosphère où les molécules
des gaz les plus lourds se font plus rares quand l'altitude augmente
sous l'action d'une sorte de décantation.
L'ionosphère, qu'affectionnent en particulier
les radioamateurs, commence là où le temps de recombinaison
des ions devient plus important, c'est à dire vers 80km
avec la
couche D.
Ce sont les deux premières couches, la troposphère
et la stratosphère (du moins dans sa moitié inférieure)
qui sont examinées par les radiosondes. Sur la photo ci-contre,
prise par un ballon-école aux environs de la tropopause,
on distingue nettement la troposphère, laiteuse à
cause de la "vapeur d'eau" (en réalité
des aérosols : poussières et fines gouttelettes
d'eau liquide). La courbure de l'horizon est un phénomène
optique dû à l'objectif de la caméra et ne
doit rien à la rotondité de la Terre.
La troposphère
Limitée par
la tropopause à une altitude variable en fonction de la
latitude et de la saison, elle constitue l'espace où pratiquement
tout ce qui concerne la vie humaine se déroule. La plus
grande partie de l'air entourant la planète s'y trouve
(75 à 80%) ainsi que 98% de l'eau présente dans
l'atmophère. C'est un maillon essentiel dans le cycle de
l'eau et l'air qu'elle contient est brassé continuellement
(d'où le préfixe tropo indiquant la notion
de changement, de mouvement) ne serait-ce que par les mouvements
de convection. Cette décroissance de la température
s'explique par le fait que l'air, transparent au rayonnement solaire,
se réchauffe surtout au niveau du sol.
La troposphère peut encore être décomposée
en deux sous-couches (si l'on peut dire). La plus basse, dont
l'épaisseur (variable en fonction du lieu et du temps)
est de l'ordre de quelques milliers de mètres. C'est là
que se concentre la quasi totalité des êtres vivants,
que l'humidité est la plus importante, que les mouvements
(convection, turbulences dues au relief...) et la pollution sont
les plus présents. Elle est parfaitement visible quand
on prend suffisamment d'altitude, en avion ou en montagne, par
exemple, à cause de la vapeur d'eau mais aussi des aérosols
(poussières minérales, particules carbonées,
bactéries, spores, microgouttelettes, micro-cristaux de
glace...). L'atmosphère libre qui se trouve au-dessus d'elle
est le siège de vents plus rapides mais aussi plus réguliers,
l'air y est plus pur.
En prenant de l'altitude, la température diminue
en moyenne de 0,6 degré/100m mais des variations importantes
autour de cette moyenne sont constatées en fonction du
mouvement des masses d'air, du rayonnement, du relief...
Les deux courbes de la figure ci-contre ont été
tracées à partir des radiosondages effectués
par la station de Payerne [1]. Celle de couleur bleue correspond
au sondage du 3 janvier 2015 à 12Z et celle en rouge à
celui du 3 juillet 2015 à 12Z également. On peut
remarquer quelques points particuliers :
- en A : une inversion de température
- en B : la pente de la courbe est d'environ -0,7 °C
pour 100m
- en C : la température au 3 janvier s'inverse brutalement
à 12250m en passant par un minimum de -67,9°C. C'est
l'altitude de la tropopause, très franche ce jour-là
- entre C et D la température est globalement
stable et se maintient aux environs de -60°C jusqu'à
l'altitude de 30000m environ où elle commence à
remonter nettement. Ce palier est plus court et moins net le 3
juillet, la remontée de température est très
visible.
On peut voir que l'altitude de la tropopause est plus
faible en hiver (repère "h")
qu'en été (repère "é")
pour un lieu donné.
La tropopause
Le 14 novembre 1896, à l'occasion de l'Expérience
internationale rassemblant les Russes, les Allemands et les Français,
l'Aérophile 3 avait eu l'occasion d'enregistrer un phénomène
qui fut mit sur le compte d'une anomalie de mesure par Hugo HERGESELL
et Richard ASSMANN, les scientifiques allemands. Il s'agissait
tout simplement de la stabilisation de la température au
niveau de la tropopause, phénomène qui ne sera expliqué
que quelques années plus tard par Léon TEISSERENC
de BORT, suivi de près par Richard ASSMANN lui-même.
Il allait leur falloir de nombreuses observations pour cela. [2][3]
Aujourd'hui nous avons
un outil simple qui permet de déterminer par nous-mêmes
l'altitude de la tropopause pour n'importe quel point de la planète.
Il s'agit de NOAA-READY qui nous fournit d'habitude les windgrams
prévisionnels pour alimenter nos outils de calcul de trajectoire.
Voir : Mode d'emploi de NOAA-READY
pour obtenir un windgram prévisionnel
Cette fois ce ne sont pas les vents mais la température
en fonction de l'altitude qui nous intéresse. En la calculant
pour 10 points régulièrement espacés le long
du méridien 0 de l'équateur jusgu'au pôle
Nord on obtient les éléments qui ont servi à
tracer les différentes courbes de la figure ci-contre,
une coupe méridienne de l'atmosphère montrant la
température à différentes altitudes et latitudes.
La date du modèle est le 21/12/2015 à 12Z, il ne
s'agit donc pas de moyennes ni de valeurs standard
- en rouge : la température de +20°C.
Il faut descendre au sud du 30ème parallèle pour
que la température dépasse 20°C au niveau du
sol. C'est l'hiver.
- en cyan : la température de 0°C, autrement
dit l'isotherme 0° se situait ce jour-là à 2500m
pour les latitudes proches de 45 degrés.
- en noir : altitudes où la température est
de -30°C
- en bleu : la tropopause, c'est à dire
l'altitude à laquelle la température cesse de diminuer.
Cette valeur n'est pas toujours très nette et n'a ici qu'une
précision relative. Pour être rigoureux, il aurait
fallu appliquer la règle du WMO pour déterminer
exactement l'altitude normalisée de la tropopause [6].
Remarque : la température au niveau de la tropopause
n'est pas la même partout, elle est plus élevée
sous les tropiques (-77°C vers le 10ème parallèle)
et vers les plus hautes latitudes elle se situe aux environs de
-50°C.
La stratosphère
Le préfixe strato du mot stratosphère évoque
les strates géologiques ou autres, statiques et
superposées. Si la stratosphère est apparemment
plus calme que la troposphère qui la soutient, elle n'en
est pas moins parcourue par des vents qui peuvent être très
forts comme on peut le voir sur les deux mappemonde ci-dessous.
Ces images sont issues de ce site.
En fait, strato indique que les mouvements s'effectuent presque
uniquement à l'intérieur de strates, horizontalement,
alors que dans la troposphère des mouvements verticaux
contribuent beaucoup au brassage.
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70hPa (18000m), le 22 décembre 2015 à 14h. Les vents soufflent de l'ouest dans l'hémisphère nord mais il arrive qu'ils s'inversent. | 10hPa (26000m), le 22 décembre 2015 à 14h - les vents les plus forts atteignent 350km/h sur le nord Pacifique (couleur blanche) |