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Partie 1 · L'atmosphère
L'atmosphère
De tout temps, les hommes ont cherché à décrire et à comprendre l'atmosphère, ses phénomènes, ses couleurs, ses mouvements… Dans les Météorologiques (le plus ancien traité connu de météorologie), Aristote décrit l'interaction entre l'eau, la terre, l'air et le feu comme étant la cause de la formation des nuages, de la pluie, de la neige et du brouillard.
Jusqu'au XVIIᵉ siècle, ce traité a fait figure de référence. Puis le développement des instruments de mesure, comme le thermomètre à air (1624) et le baromètre à mercure (1643), permet de prendre des mesures des conditions atmosphériques et bouleverse l'état des connaissances. Aujourd'hui, grâce aux satellites, nous avons acquis une solide connaissance du milieu atmosphérique. Celui-ci n'est pas homogène : au contraire, il présente des strates bien distinctes, caractérisées par des conditions de température et une composition chimique différente.
Exercice : le graphique ci-dessous montre l'évolution de la température moyenne en fonction de l'altitude. Les variations marquées révèlent l'existence de couches aux propriétés distinctes. Donner le nom de chaque couche de l'atmosphère, son champ d'altitude ainsi que la température à sa base et à son sommet.
Partie 1 · L'atmosphère
La Troposphère
La couche la plus proche du sol est la Troposphère (du grec « tropos », tourbillons, et « sphaïra », sphère). Cette région de l'atmosphère est le siège des phénomènes météorologiques. Elle fait environ 10 km d'épaisseur au niveau des pôles et 18 km dans les régions tropicales. Cet air que l'on respire se compose d'une multitude de gaz et de particules à l'état solide ou liquide.
Les gaz majoritaires
Le gaz le plus présent est l'azote (N₂). Ce gaz incolore représente 78,1 % du volume d'air total. Il est utilisé par certaines bactéries pour synthétiser des acides aminés ensuite transformés en protéines (fixation biologique). Le deuxième gaz majoritaire est l'oxygène (O₂, 20,9 %), produit par les organismes photosynthétiques et consommé par les organismes aérobies lors de la respiration cellulaire. À eux seuls, l'azote et l'oxygène représentent près de 99 % du volume d'air sec. Les deux tiers de la masse totale de l'atmosphère se trouvent en dessous de 10 km et les 9/10 en dessous de 20 km d'altitude.
Les gaz traces
Présents en très petites quantités (quelques molécules par million, ppm, ou par milliard, ppb), les gaz traces incluent l'argon (0,93 %, gaz inerte le plus abondant), le néon (0,18 %) et l'hélium (0,052 %). Le deuxième gaz trace est le dioxyde de carbone (CO₂), gaz incolore naturellement présent, utilisé par les organismes photosynthétiques et produit par la combustion de matières organiques et le volcanisme. Sa concentration avoisine aujourd'hui 416 ppm (soit 4,16 % du volume des gaz traces), contre environ 285 ppm en 1850 : cette augmentation est attribuée à l'utilisation croissante des combustibles fossiles. Le méthane (CH₄) a lui aussi augmenté (marécages, feux de forêts, digestion des ruminants et donc élevage, gaz naturel).
Les aérosols
Les aérosols sont des particules solides ou liquides en suspension dans l'air, d'origine naturelle (feux de forêt, poussières désertiques, embruns marins, pollens…) ou anthropique (combustion industrielle, plateformes de forage, centrales thermiques, feux agricoles, circulation routière…). Leur taille varie de moins de 0,1 µm à quelques dizaines de micromètres. Ces particules peuvent rester en suspension de quelques heures à quelques jours. Les quantités de particules fines font l'objet d'une surveillance quotidienne par les agences de santé publique.
La vapeur d'eau
Enfin, il ne faut pas oublier la vapeur d'eau ! Contrairement à N₂, O₂, Ar et CO₂, elle est distribuée de façon très inhomogène : selon la température et l'humidité, le contenu en vapeur d'eau de l'air ambiant peut varier entre 0,1 et 4 %.
Partie 1 · L'atmosphère
La Stratosphère et la haute atmosphère
Au-dessus de la Troposphère se situe la Stratosphère (du latin « stratus », étendu). Elle s'élève en moyenne jusqu'à 50 km d'altitude et diffère beaucoup de la Troposphère : l'air n'y contient plus que 2 à 6 molécules d'eau par million (2 à 6 ppm), contre 10 000 à 40 000 ppm dans la Troposphère. L'air stratosphérique est donc très sec et il est très rare d'y trouver des nuages.
La Stratosphère concentre 85 à 90 % de l'ozone atmosphérique (O₃). Ce gaz se forme à partir de l'oxygène (O₂) sous l'action du soleil, directement dans la stratosphère.
On y trouve aussi d'autres gaz, qui proviennent de la Troposphère et ont une durée de vie très longue (méthane CH₄, chlorofluorocarbones CFC…), ou qui sont injectés par les éruptions volcaniques (par exemple l'éruption du Mont Pinatubo, Philippines, juin 1991).
Au-dessus de la Stratosphère s'étendent encore trois couches : la Mésosphère (du grec « méso », milieu), la Thermosphère (« thermo », température) et l'Ionosphère (de « ionisation »). La Mésosphère reste méconnue car difficilement observable : les fusées-sondes y ont révélé des températures extrêmement basses (min. −100 °C), ce qui en fait la couche la plus froide. Enfin, au-delà de 80 km, les rayons solaires dissocient les molécules et ionisent les particules : ces couches ionisées (l'Exosphère, entre 80 et 300 km) réfléchissent les ondes radio, ce qui a permis de développer les télécommunications.
Partie 1 · L'atmosphère
La pression atmosphérique
Plus on monte en altitude, plus l'air se raréfie. Ainsi, la Troposphère contient 90 % de la masse totale de l'atmosphère et le reste se répartit inégalement dans les plus hautes couches. Ceci est lié à l'action de la gravité, qui attire et maintient les molécules d'air à proximité de la surface.
La pression atmosphérique représente la force exercée sur un mètre carré de la surface de la Terre par la masse totale des molécules et des particules de l'atmosphère qui la recouvre. Plus le nombre de molécules dans un mètre cube d'air est élevé, plus la masse totale et la pression sont importantes.
Unités de mesure
La pression se mesure en pascals (Pa) : 1 Pa = 1 N/m². On utilise aussi l'hectopascal (1 hPa = 100 Pa) ou le bar (1 bar = 100 000 Pa = 1 000 hPa). La pression atmosphérique diminue rapidement à mesure que l'on monte en altitude.
La pression atmosphérique de référence au niveau de la mer est 1013,25 hPa (soit 1 bar). En réalité, la pression de surface varie autour de cette valeur ; ces variations sont responsables de la formation des vents et des phénomènes météorologiques (nuages, précipitations, tempêtes…), que nous verrons plus en détail dans la suite du module.
Partie 2 · Cyclones, anticyclones et force de Coriolis
La circulation générale sur une planète sans rotation et sans eau
Sans la rotation de la Terre, son inclinaison par rapport au soleil et les eaux de surface, la circulation globale serait simple. Le soleil étant directement au-dessus de l'équateur, le sol et l'atmosphère s'y réchaufferaient plus que sur le reste de la planète : cette région deviendrait très chaude et l'air chaud s'élèverait dans la haute atmosphère, créant une ceinture de basse pression autour de l'équateur. Cet air chaud se déplacerait vers les pôles où, devenu froid, il s'enfoncerait en créant une vaste zone de haute pression, avant de revenir vers l'équateur.
En réalité, la circulation est plus complexe. Il existe trois cellules de circulation par hémisphère : la cellule de Hadley (0-30° en moyenne), la cellule de Ferrel (30-60°) et la cellule polaire (60-90°). De plus, les vents de surface ne circulent pas selon une direction Nord-Sud, mais suivent une trajectoire inclinée vers l'Est ou l'Ouest.
Partie 2 · Cyclones, anticyclones et force de Coriolis
L'influence de la rotation de la Terre sur la circulation de l'air
Au XIXᵉ siècle, le mathématicien français Gustave Gaspard Coriolis démontre que « toute particule en mouvement dans l'hémisphère Nord est déviée vers sa droite et, réciproquement, vers sa gauche dans l'hémisphère Sud ». Pour comprendre, prenons l'exemple d'un disque en rotation sur lequel figurent des joueurs de balle : le disque représente la Terre et les joueurs les masses d'air en mouvement.
À retenir : la force de Coriolis dévie les vents de l'hémisphère Nord à droite de leur trajectoire, et ceux de l'hémisphère Sud à gauche.
Partie 2 · Cyclones, anticyclones et force de Coriolis
Circulations anticycloniques et dépressionnaires
La pression atmosphérique à la surface de la Terre varie entre 970 et 1030 hPa selon les conditions météorologiques, la valeur normale étant autour de 1013 hPa. Les régions où la pression de surface est inférieure à 1013 hPa sont des zones de basse pression ; celles où elle est supérieure sont des zones de haute pression. Ces variations sont cartographiées chaque jour et leur suivi permet de prédire l'évolution des conditions météorologiques.
Comment lire une carte météorologique ?
Sur une carte météo, les lignes au tracé régulier sont des isobares : elles relient les points de même pression atmosphérique, ce qui permet de visualiser les zones de haute et de basse pression. L'intervalle entre isobares est généralement de 3 ou 4 hPa. Lorsque les isobares sont très rapprochées, la variation de pression sur la distance est importante : cela définit un fort gradient de pression. Plus le gradient est élevé, plus le vent est rapide.
Vocabulaire
- Une dépression est une zone de basse pression en surface délimitée par des isobares fermées.
- Un creux barométrique (ou talweg) est une zone de basse pression qui s'étend le long d'un axe passant par le centre d'une dépression.
- Un anticyclone est une zone de haute pression délimitée par des isobares fermées.
- Une crête barométrique (ou dorsale) est une zone de haute pression qui s'étend le long d'un axe passant par le centre d'un anticyclone.
Les cellules de pression existent sous toutes sortes de formes et de tailles ; à l'échelle planétaire, certaines persistent si longtemps qu'elles apparaissent régulièrement sur les cartes : elles sont dites semi-permanentes. Les différences de pression sont à l'origine de la formation des vents : lorsque la pression est élevée à un endroit et faible à un autre, l'air se précipite de la zone de haute pression vers la zone de basse pression. Autrement dit, les anticyclones chassent l'air tandis que les dépressions l'aspirent. La direction du vent est donc contrôlée par l'emplacement des cellules de pression, tandis que sa vitesse dépend de la différence de pression entre elles.
Partie 3 · La circulation atmosphérique
Les vents de surface dominants
La carte climatologique de la pression atmosphérique en surface permet de distinguer clairement les grands centres dépressionnaires des latitudes tempérées et polaires des hautes pressions caractéristiques des zones tropicales. À partir de ces observations, il est possible de représenter les traits caractéristiques de la circulation générale des vents de surface.
La Zone de Convergence Intertropicale (ZCIT) est la zone de rencontre des Alizés de Nord-Est et de Sud-Est. Sa position fluctue en fonction de la position du maximum d'énergie solaire reçue par la Terre (plus ou moins au nord ou au sud de l'équateur selon les saisons). Le déplacement de la ZCIT engendre des variations dans la circulation des vents de surface et est responsable de phénomènes saisonniers comme la mousson indienne.
Partie 3 · La circulation atmosphérique
Les cellules de convection planétaires
La circulation décrite ici est appelée circulation de Hadley, en hommage à Georges Hadley, astronome du XVIIIᵉ siècle, premier à proposer une théorie de l'orientation des vents de surface entre les Tropiques et l'équateur.
La limite des cellules de Hadley se situe vers 30° de latitude : à mesure que le vent d'altitude s'approche de l'axe de rotation, il est dévié par la force de Coriolis jusqu'à circuler quasi horizontalement d'ouest en est (courant-jet subtropical). L'air s'y accumule, générant un excès de masse et une hausse de la pression : ce sont les anticyclones subtropicaux (Açores, Sainte-Hélène), qui accompagnent les grandes ceintures de déserts (Sahara, Arabie, Gobi).
Aux pôles, une circulation similaire s'observe : les hautes pressions polaires chassent l'air vers les moyennes latitudes, la force de Coriolis le déviant (cellule polaire). Enfin, entre 30 et 60° de latitude, une troisième cellule de convection, la cellule de Ferrel (William Ferrel, météorologue du XIXᵉ siècle), complète les deux autres. C'est une circulation indirecte, contraire à celle des cellules de Hadley et polaire, qui assure la conservation de la masse et du moment angulaire.
Partie 3 · La circulation atmosphérique
Le rôle de la circulation atmosphérique dans le bilan radiatif
La Terre est chauffée en continu par les rayons du Soleil mais, à l'échelle du globe, on observe une différence de chauffage très importante entre l'équateur et les pôles. Ce chauffage différentiel, lié à la rotondité de la Terre et à l'inclinaison de son axe, est à l'origine des différences de température et de pression observées en surface, et donc de la circulation atmosphérique. Celle-ci tend à diminuer le déséquilibre thermique pôle-équateur en distribuant la chaleur excédentaire des régions tropicales vers les hautes latitudes et, inversement, en amenant de l'air froid et sec vers les basses latitudes.
