Formation, structure et composition de l'atmosphère

L'atmosphère est la couche d'air qui entoure le globe terrestre. Du point de vue de la physique, l'atmosphère obéit aux mêmes lois que l'eau puisqu'il s'agit d'un fluide. La seule différence est que la densité de l'atmosphère est plus faible que celle de l'eau.



ORIGINE DE L'ATMOSPHÈRE

Tout a commencé par le « big bang »; une méga explosion donnant naissance à notre univers, il y a de cela une vingtaine de milliards d'années. Depuis ce temps, chaque partie de l'univers s'éloigne des autres : notre univers est en expansion.

Formation des planètes



Le Soleil s'est condensé à partir d'un nuage de poussières interstellaires. Lorsque le volume et la densité du Soleil sont devenus suffisants, sa température a atteint un degré si élevé que des réactions nucléaires se sont déclenchées. Les particules qui gravitaient autour du Soleil se sont ensuite agglomérées pour donner naissance aux planètes il y a 4,5 milliards d'années.

Au début, les planètes étaient froides et chacune possédait une enveloppe d'hydrogène et d'hélium (gaz légers). A mesure que chacune se contractait sous l'effet de sa propre gravité (poids), le centre se réchauffait jusqu'à devenir un noyau incandescent.

Toujours selon des hypothèses, notre planète, avait un noyau en fusion sur lequel flottaient les matières plus légères, qui formaient ainsi une croûte solide. Au début, il n'y avait rien sur cette croûte, et la Terre ne possédait pas d'atmosphère. Celle-ci a dû s'échapper vers l'espace de la même façon que les vapeurs d'un liquide en ébullition. En effet, les gaz de l'atmosphère primitive, l'hélium et l'hydrogène, étaient suffisamment légers pour échapper à la force d'attraction de la Terre sous l'effet du rayonnement intense du Soleil, et la plus grande partie de ces gaz s'est perdue dans l'espace.

Formation de l'atmosphère terrestre

À mesure que la Terre se refroidissait, d'énormes quantités de méthane, d'ammoniac, de vapeur d'eau et de gaz carbonique furent expulsés du centre de la Terre vers l'extérieur. Cela constitua la première atmosphère de la Terre. Cette atmosphère, agissant comme une serre, permit de réduire la perte de chaleur de la Terre vers l'espace et notre planète demeura ainsi assez chaude pour que puisse naître la vie. Sa température se situait probablement entre 15 et 30 oC.

Ensuite, il y a environ 4,5 milliards d'années, la vapeur d'eau s'est condensée pour former les océans. Le gaz carbonique se combina à des minéraux et fut absorbé par les océans, et il fut utilisé par les premiers êtres vivants. L'azote est resté dans l'atmosphère parce que cet élément réagit peu avec les autres. Il y a 3 milliards d'années, l'atmosphère contenait encore peu d'oxygène. Des réactions chimiques compliquées entre le méthane, l'ammoniac, l'eau et le rayonnement solaire donnèrent naissance à une couche d'ozone. Celle-ci joue un rôle important dans l'évolution de la vie sur Terre, car elle empêche une grande partie des rayons solaires ultraviolets, rayons nuisibles à la vie, d'atteindre le sol.

Les premières plantes apparurent il y a 2 milliards d'années et transformèrent une grande partie du gaz carbonique en oxygène. Ce processus se poursuit toujours et l'atmosphère d'aujourd'hui contient environ 78 % d'azote et 21 % d'oxygène.

L'atmosphère actuelle est faite d'un mélange de gaz et de particules qui entourent notre planète. L'atmosphère est si mince qu'on peut se représenter son épaisseur relativement à la Terre comme la pelure d'une pomme relativement à l'ensemble du fruit. C'est la force d'attraction de la Terre qui retient l'atmosphère autour du globe.



Vue de l'espace, le bord de l'atmosphère est un fin halo de lumière bleu foncé sur un horizon en forme de courbe.
L'atmosphère joue plusieurs rôles : elle nous fournit l'air que nous respirons, ses gaz retiennent la chaleur dont bénéficie la Terre, et sa couche d'ozone protectrice nous sert d'écran contre le rayonnement solaire nocif.
Elle sert également de réservoir pour les substances naturelles ainsi que les émissions qui découlent de l'activité humaine. Dans cet «entrepôt», il se produit des actions et des réactions physiques et chimiques, dont la plupart peuvent altérer nos systèmes climatiques ou météorologiques.

Composition de l'atmosphère

L'atmosphère fait partie de la famille des gaz. Les gaz qui composent notre atmosphère viennent du centre de la Terre! Ces gaz ont été expulsés par les volcans au début de l'existence de la Terre.

Composition actuelle de l'atmosphère près de la surface


Azote (N2) 78 %
Oxygène (O2) 21 %
Argon (A) 0,93 %
Vapeur d'eau (H2O) 0 - 4 %
Gaz carbonique (CO2) 0,033 %
Néon (Ne) 0,0018 %
Krypton (Kr) 0,000114 %
Hydrogène (H) 0,00005 %
Oxyde d'azote (N2O) 0,00005 %
Xénon (Xe) 0,0000087 %
Ozone (O3) 0 - 0,000001 %

Les constituants les plus importants dont la quantité est variable dans le temps sont : la vapeur d'eau, le gaz carbonique, l'ozone et certaines particules en suspension dans l'air (les polluants par exemple).

L'eau existe dans les trois états (ou phases) : liquide, solide et gazeux, et cela, à cause des températures caractéristiques et variables de notre planète.

L'atmosphère est plus épaisse à l'équateur (13-16 km) qu'aux pôles (7-8 km).

On évalue la quantité de molécules dans l'atmosphère à 10 exposant 44 (44 zéros après le 1!!!). Toutes ces molécules sont soumises à deux forces:

les molécules elles-mêmes ont une vitesse d'environ 500 m/s qui tentent d'aller vers l'espace;

le poids des molécules tend à les faire tomber sur notre globe (conséquence de l'attraction terrestre).

Le résultat de ces deux forces fait en sorte que la moitié de la masse de l'atmosphère se trouve dans les 5 premiers kilomètres d'altitude. Il faut s'élever jusqu'à 20 km pour atteindre 90% de la masse totale de l'atmosphère.

Les couches de l'atmosphère



Troposphère

La troposphère est la couche atmosphérique la plus proche du sol terrestre. Son épaisseur est variable: 7 kilomètres de hauteur au-dessus des pôles, 18 kilomètres au-dessus de l'équateur et environ 13 kilomètres, selon les saisons, dans la zone tempérée

C'est dans cette couche qu'on retrouve la plus grande partie des phénomènes météorologiques. Au fur et à mesure qu'on s'élève dans la troposphère la température décroît de façon régulière d'environ 6 degrés Celsius tous les 1000 mètres pour atteindre -56 oC à la tropopause (zone séparant la troposphère de la stratosphère). L'air près du sol est plus chaud qu'en altitude car la surface réchauffe cette couche d'air.

Stratosphère

La stratosphère est au-dessus de la troposphère. C'est dans la stratosphère qu'on trouve la couche d'ozone. Cette dernière est essentielle à la vie sur Terre, car elle absorbe la majorité des rayons solaires ultraviolets qui sont extrêmement nocifs pour tout être vivant. Cette absorption provoque un dégagement d'énergie sous forme de chaleur. C'est pourquoi la température augmente lorsqu'on s'élève dans la stratosphère.

Les mouvements de l'air y sont beaucoup moindres. Il s'agit d'un environnement beaucoup plus calme. La stratopause sépare la stratosphère de la mésosphère.


Mésosphère

La mésosphère est au-dessus de la stratosphère. Dans cette couche, la température recommence à décroître avec l'altitude pour atteindre -80 oC à une altitude d'environ 80 km.

Les poussières et particules qui proviennent de l'espace (les météores) s'enflamment lorsqu'elles entrent dans la mésosphère à cause de la friction de l'air. Ce phénomène nous apparaît sous la forme « d'étoiles filantes ».

Thermosphère


Aurore boréale

La couche la plus haute est la thermosphère. Dans cette couche, la température augmente avec l'altitude et peut atteindre environ 100 degrés Celsius. La thermosphère atteint des milliers de kilomètres d'altitude et disparaît graduellement dans l'espace. La thermosphère est la région où près des pôles se forment les aurores boréales et australes.La pression y devient presque nulle et les molécules d'air sont très rares.

La partie inférieure de la thermosphère est appelée l'ionosphère. L'ionosphère réfléchit les ondes courtes (ondes radio). Ces ondes, émises par un émetteur, rebondissent sur l'ionosphère et sont renvoyées vers la Terre. Si elles sont retournées avec un certain angle, elles peuvent faire presque le tour du globe. L'ionosphère permet donc de communiquer avec des régions très éloignées.

La séparation entre la mésosphère de la thermosphère s'appelle la mésopose.

La séparation entre la troposphère et la stratosphère porte le nom de Tropopause.

Les principes de base utiles en météorologie

La météorologie fait appel à beaucoup de principes plus ou moins simples. Ces principes sont en général directement liées à des lois de physique des gaz. Voici plusieurs de ces principes qui vous permettrons de mieux comprendre pourquoi certains phénomènes surviennent en météorologie.

L'air chaud est moins dense que l'air froid

Pour comprendre ce principe, il faut connaître celui de la densité. La densité d'un corps est la quantité de matière qu'il contient dans un volume donné. Autrement dit, c'est le rapport entre la masse d'un corps et son volume. On compare la densité des corps à celle de l'eau à 4 degrés Celsius.

Imaginons deux cubes vides. Si l'on place du mercure dans le premier et de l'eau dans le deuxième, le premier cube sera plus dense que le deuxième. Le mercure est un métal dont la masse atomique est très élevée (voir le tableau périodique). Les corps dont la masse est plus élevée sont plus pesants à cause de la gravité. Dans une bouteille remplie à 80%, ajoutez de l'huile. Ensuite, fermez la bouteille et agitez là. Lorsque vous déposez la bouteille, l'huile qui est moins dense que l'eau montera à la surface.

L'air est un gaz qui possède aussi une densité. L'air chaud est moins dense que l'air froid car il contient moins de molécules d'air pour un volume égal (les molécules sont plus distancées les unes des autres à cause de leur agitation plus élevée). L'air chaud étant moins dense, il monte en altitude.

La densité de l'air est à la base du principe de convection. Ce dernier permet la formation de nuages et d'orages l'été.

Plus l'air est chaud et plus il peut contenir de l'eau

Lorsque l'air est chaud, la distance entre les molécules d'air est plus grande. La place est donc plus disponible pour avoir des molécules d'eau.

L'air sec est plus dense que l'air humide

La différence entre l'air sec et l'air humide est la proportion de molécules d'eau dans un volume donné. Si, dans un cube d'air, on ajoute de la vapeur d'eau, quelques molécules d'air doivent laisser leur place aux molécules d'eau. Ces dernières sont plus légères que les molécules d'air.

L'air sec étant plus dense, il s'élève plus difficilement. L'air sec est aussi plus stable que l'air humide. Donc, il y a moins de chance d'avoir des averses ou des orages durant l'été.

Lorsqu'on comprime l'air, ce dernier s'échauffe

L'air est un gaz. Les molécules qui le composent bougent dans tous les sens. Dans leur mouvement, les molécules entrent en collision produisant ainsi de la chaleur. Lorsqu'on comprime l'air, la distance entre les molécules diminue et les chances de collisions augmentent. La chaleur dégagée sera d'autant plus grande que l'air est compressée. C'est exactement ce qui se produit lorsqu'on souffle un pneu de bicyclette. La pompe devient chaude.

Dans une haute pression, l'air circule dans le sens horaire tout en convergeant vers le sol. La convergence est un phénomène qui provoque une accumulation de l'air à la surface (hausse de pression) ainsi qu'un réchauffement puisque l'air se trouve relativement plus comprimé.

Lorsqu'on relâche la pression sur un volume d'air, ce dernier se refroidit

Si la pression de l'air contenu dans un volume diminue c'est que l'air occupe moins de place, les molécules sont moins nombreuses et par conséquent les collisions entre elles sont plus rares. Lorsqu'il y a moins de collisions, la chaleur dégagée est plus faible.

C'est le phénomène inverse qui se produit. Il survient dans les basses pressions. C'est eu peu pour ça que le mauvais temps l'été apporte aussi une baisse des températures.

L'eau surchauffée s'évapore

L'eau peut se présenter sous trois phases: solide, liquide, gazeux. La différence entre chaque phase est la quantité d'énergie se retrouvant dans l'eau. Plus la quantité est élevée et plus les molécules sont excitées et se déplacent rapidement jusqu'au moment ou la cohésion moléculaire soit nulle. C'est alors que l'eau devient un gaz et forme la vapeur d'eau.

L'été, lorsque le soleil réchauffe les océans ou les lacs, l'eau s'évapore dans l'atmosphère. En fin d'été, ce phénomène d'évaporation au-dessus de l'océan atlantique est en partie responsable de la création des ouragans.

L'humidité joue un rôle important dans l'instabilité de l'air

L'humidité est de l'eau sous forme de vapeur. La vapeur c'est de l'eau sous forme de gaz, c'est-à-dire une des trois phases possibles de l'eau (solide, liquide, gazeux). Examinons chacune des phases.

La phase solide de l'eau c'est la glace. La glace est le résultat d'un manque d'énergie; les molécules d'eau se déplacent que très peu car l'énergie pour le faire est rare. Si on ajoute de l'énergie en chauffant la glace, les molécules d'eau se mettront à bouger d'avantage et les liens qu'elles tissaient entre elles seront supprimés. La glace devient maintenant liquide, les molécules se déplacent avec beaucoup plus de facilité. Si on ajoute encore de la chaleur, les molécules s'exciteront encore davantage en se déplaçant dans tous les sens. Les liens entre elles seront de plus en plus faibles : les molécules d'eau se détacheront pour littéralement prendre le large! C'est la phase gazeuse l'eau. Pour résumer, lorsque l'eau est sous forme gazeuse c'est uniquement une question de chaleur élevée.

En revenant au concept d'humidité et d'instabilité, on observe que plus il y a d'humidité dans l'air, plus il y a de l'énergie (chaleur) dans l'atmosphère (l'eau ne s'évapore pas sans l'aide de l'énergie). Qu'est-ce qui se produit si l'atmosphère est surchauffée? L'air amorce un mouvement vers le haut en formant des cellules convectives. Les nuages se forment. Cette dernière phrase est capitale!

Les nuages se forment parce que l'air qui monte se refroidi. Plus l'air est froid et moins elle peut contenir de la vapeur d'eau (pour savoir pourquoi, voir plus haut). Lorsque la vapeur se condense c'est que l'énergie potentielle se libère (on appelle ça la chaleur latente). C'est donc dire que, lorsque les nuages se forment, l'énergie potentielle que l'air contenait se libère. Mais où va t'elle? Dans l'air! C'est là clé. L'air poursuit sa montée car il continu, grâce à la chaleur latente, à se maintenir plus chaud que l'air ambiant, qui lui est plus froid. Voilà! La boucle est fermée. Ce principe sera d'autant plus fort que l'air de l'atmosphère sera chauffé et contiendra de la vapeur d'eau

L'humidité et l'instabilité de l'air jouent un rôle déterminant dans la formation des orages et du temps violent l'été.

Pour qu'il y ait instabilité de l'air il doit y avoir de la chaleur

L'on a vu que l'énergie joue un rôle capital dans le processeur d'instabilité. Dans la plupart des cas, l'air monte parce qu'il est chauffé. Il peut monter pour d'autres raisons mais c'est plus rare.

Si la chaleur du soleil était insuffisante pour aider à amorcer l'instabilité de l'air, les orages ne pourraient pas exister.

Relation entre la pression et la quantité d'eau que l'air peut contenir

La quantité d'eau que peut contenir une particule dépend directement de sa température et de la pression. Par exemple, à 1000 mb à 25 degrés Celsius la quantité maximale de vapeur d'eau que la particule peut contenir est de 20g/kg alors qu'à 900 mb à 25 degrés Celsius cette quantité passe à 23g/kg. Toutefois, il ne faut pas oublier que si l'air monte, il se refroidit donc la capacité de l'air pour contenir de la vapeur d'eau diminue ; il y a risque de condensation (nuages).

Plus la pression est basse et plus l'air peut se charger d'humidité. Il s'agit d'un mécanisme important dans la formation des ouragans.

L'air chaud et l'air froid c'est comme de l'huile et de l'eau

L'air est un gaz qui obéit au principe suivant : deux portions d'air avec des caractéristiques de température différente ne se mélangent pas bien. C'est comme si l'air chaud qui monte était une sorte de bulle d'huile qui monte dans un verre d'eau. En fait, l'air est un mauvais conducteur d'énergie. Au point de contact entre l'air chaud et l'air froid, l'échange d'énergie n'est pas tellement efficace (mais il existe!).

Ce principe entre en jeux dans les cellules convectives qui produisent des nuages comme les cumulus et cumulonimbus.

C'est en partie pour cette raison qu'une cellule d'air chaud peut se maintenir plus chaude que l'air ambiant tout en montant en altitude.

La chaleur latente

La chaleur latente est de l'énergie qui est libérée lorsque la vapeur d'eau se condense. En physique, l'énergie prend plusieurs formes. Dans un cas il s'agit de chaleur, dans d'autres cas d'énergie mécanique ou encore d'énergie potentielle. Lorsque l'eau se présente sous forme de vapeur, l'énergie qu'elle possède est très élevée. Pour récupérer cette énergie, il s'agit de faire condenser la vapeur. L'énergie se trouve libérée sous forme d'une chaleur latente.

La chaleur latente joue un rôle important dans plusieurs phénomènes météorologiques. Elle joue un rôle particulier dans les orages mais aussi dans les ouragans. Elle permet de fournir l'énergie nécessaire afin qu'un ouragan puisse se maintenir en vie.

  Les nuages

 Suivant leur altitude, les nuages adoptent une configuration différente.

Savoir lire les nuages.

Qu'il s'agisse du simple randonneur, du navigateur, de l'alpiniste ou du pilote d'avion, savoir lire les nuages revient à posséder l'une des clés de la prévision météo. Cette illustration est d'ailleurs empruntée au Livre de bord-Bloc Marine.



Tous les nuages, associés ou non à des perturbations, qui voyagent dans le ciel des plaines, se retrouvent sur les reliefs. D'autres, cependant, sont spécifiques à la montagne, ou du moins les pro-cessus physiques à l'origine de leur formation.

En rencontrant les pentes, l'air est forcé de s'élever. Ce mouvement s'accompagne d'un refroidis-sement parce que la pression diminuant, l'air se détend. Le froid ainsi créé peut conduire, quand l'humidité est suffisante, à la formation de nuages ou bien à l'épaississement de ceux qui existaient déjà. Si le nuage devient épais - à cause d'une ascendance puissante, par exemple - il condense en pluie ou en neige. Ainsi le soulèvement de l'air sur les versants exposés "au vent" est fréquemment une cause d'aggravation locale du temps.
Par journée ensoleillée, d'autres ascendances s'organisent, thermiques celles-ci. Les brises de pente transportent en altitude l'humidité des plaines et des vallées. Selon la quantité de vapeur d'eau portée par ces brises, la plus ou moins grande sécheresse des couches moyennes et supérieures - c'est-à-dire de 3 000 à 7 000 mètres -, leur structure, stable ou instable, ou bien il ne se passe rien, et le ciel reste clair, ou bien se forment des "cumulus", amas nuageux blancs insignifiants ou puissants dont la surface supérieure moutonnée traduit les bouillonnements internes, ou bien encore, en été essentiellement, jaillissent de gigantesques et inquié-tantes tours, coiffées de leurs "enclumes" : les "cumulo-nimbus", porteurs de toute la violence de la nature en colère.

A l'opposé, quand l'atmosphère se stratifie en couches stables, des nappes de nuages s'étalent sur des milliers, voire des millions de kilomètres carrés. Les inversions de tem-pérature (voir schéma 9), ca-ractéristiques d'automne et d'hiver, sont souvent à l'ori-gine de telles configu-rations : des brouillards, du "stratus" ou du "stratocumulus", formés dans l'épaisseur de la couche froide ou à son sommet, restent prisonniers de cette structure qui interdit tout brassage vertical, donc toute évolution, et peut persister des semaines durant. Alors les versants et les sommets émergent de la "mer de nuages" dans une atmosphère limpide et douce.



Parfois, lorsqu'un grand vent souffle en altitude, certains pics isolés (Cervin, Aiguille Verte et Drus) "fument". Un panache de nuage s'accroche "sous le vent", créé par les remous d'air dans le sillage de la cime.

A l'approche d'une perturbation, ce sont les monts massifs aux formes arrondies, qui se signalent par la présence, au-dessus ou à leur sommet, de nuages en capuchons, en soucoupes renversées ("l'Ane" pour le Mont-Blanc). Plusieurs nuages semblables peuvent aussi se superposer ( les "piles d'assiettes"), témoins d'une stratification particulière de l'atmosphère (stable et feuilletée en tranches d'humidité différente.)

D'une manière plus générale , l'air soulevé par un massif cherche, la crête passée, à revenir à son niveau initial. Mais comme l'atmosphère, en état stable, est un fluide élastique, il se formera, sur des dizaines de kilomètres derrière le sommet, des mouvements ondulatoires. Les plages d'ascendance se concrétisent par des nuages en forme de lentille ("alto-cumulus" lenticulaires) séparés par des intervalles de ciel clair, ou peu nuageux (mouvement descendants)

Les précipitations
La formation de la pluie est un processus complexe. Dans la grande majorité des cas, c'est la neige qui apparaît d'abord dans les nuages où il fait suffisamment froid (au-dessus de -7°C). Les flocons, lorsqu'ils sont assez lourds, tombent. S'ils traversent, dans leur chute, des couches d'air de plus en plus chaudes, ils finissent par fondre et arrivent au sol en pluie. Si, au contraire, la température reste assez basse (inférieure à 0°C, ou voisine) les flocons touchent le sol.

En été, la neige ne tombe qu'en altitude, sur les reliefs tempérés. En hiver, par contre, il fait souvent assez froid - surtout dans les vallées internes qui retiennent bien l'air froid - pour que la neige descende à I 000m, ou même jusqu'en plaine.



Le cas de figure illustré ci-dessus, effet de foehn, est typique des reliefs situés en travers de la route des dépressions at-lantiques. Quand l'air froid et humide arrive contre la montagne, II doit s'élever pour franchir l'obstacle. Quand il s'élève, sa pression diminue, il se "détend". Cette détente provoque la condensation de gouttelettes d'eau: il pleut au flanc de la montagne. Au contraire, quand l'air arrive de l'autre côté, il a perdu une partie de son humidité : il est plus chaud, plus sec.

La température
Il faut distinguer la température de l'air et celle du sol.

Avec l'altitude, la température de l'air décroît, en règle générale, dans la troposphère (environ les dix premiers kilomètres de l'atmosphère, aux latitudes tempérées) : grosso modo, la diminution est de 1°C pour 150m ou 6°C tous les 1 000m. En fait, cette variation est applicable à "l'atmosphère libre", c'est-à-dire à l'écart de l'influence parasite du sol.
En effet, la température du sol (roc, neige, couverture végétale...) évolue en grande partie indé-pendamment de celle de l'air. Le sol se réchauffe en captant le rayonnement solaire, tandis que l'air y est très peu sensible. De nuit, le sol perd la chaleur accumulée en rayonnant vers l'espace. D'innombrables conditions particulières interviennent : l'orientation du sol par rapport aux rayons de soleil, sa nature, sa couleur (la neige, par exemple, réfléchit presque intégralement le rayonne-ment incident), l'humidité de l'air, sa densité (la raréfaction de l'air aux altitudes élevées favorise les grandes amplitudes de température : le rayonnement solaire est particulièrement efficace puisque l'atmosphère n'oppose qu'un faible écran ; par contre, en sens inverse, la perte de chaleur nocturne est facilitée), la présence ou non de nuages (une couverture nuageuse empêche le refroi-dissement du sol, mais laisse passer, du moins quand elle n'est pas trop épaisse, une partie de l'énergie solaire : c'est l'effet de serre), le vent (la ventilation homogénéise les températures), Un écart de 10°C entre la température à 1,50m du sol et la température de la surface de la neige est courant, au petit matin, par beau temps calme. La température de surface d'une roche ensoleillée peut être notablement supérieure à celle de l'air environnant.

Il existe évidemment une interaction entre le sol et l'air. C'est surtout le sol qui, en particulier par temps calme et sec, influence la température de l'air proche (voir "les brises").
La diminution de température avec l'altitude se manifeste par l'étagement des espèces végétales et, plus haut, par la présence de neiges éternelles. Quelle image illustre mieux ces contrastes que celle, bien connue, du Kilimandjaro enneigé, jaillissant de la savane africaine surchauffée?

Il est pourtant des cas - nombreux - l'hiver par beau temps où la décroissance n'est pas la règle. En effet, l'air froid, parce qu'il est lourd, s'accumule dans les fonds de vallée. Sur les versants au contraire, sitôt formé il ruisselle vers le bas, Dans de telles conditions, il peut faire bien plus froid en vallée, et même en plaine qu'en moyenne montagne. C'est "l'inversion de température". La nappe froide inférieure est souvent de l'ordre de 800 à 1200m d'épaisseur. Il peut, par exemple faire - 5°C en plaine, -10°C à 1000m, en fond de vallée enneigée, et 8°C à 2000 m.
Structure extrêmement stable, l'inversion de température se manifeste par une stratification très contrastée de l'atmosphère inférieure. Dans la couche froide, l'air est humide (brouillard ou nuages bas), au-dessus l'air est sec (excellente visibilité).

Dans certaines circonstances, la structure de l'atmosphère est plus complexe, une couche chaude s'immisçant entre l'air froid supérieur et celui prisonnier des vallées. Il se forme alors une pluie qui tombe sur un sol froid et donne du verglas, pellicule de glace qui recouvre tout. Pendant quelques heures, les routes et chemins deviennent extrêmement dangereux pour toute circulation.

L'effet de Foehn
Le foehn est le vent qui souffle dans les vallées alpines quand, en altitude, le courant du sud est fort. Il s'accompagne de phénomènes caractéristiques qui ne sont pas propres au vent du sud mais plus accusés avec lui. C'est pourquoi le météorologiste, généralisant, évoque "l'effet de foehn" quand un courant atmosphérique, quelle que soit sa direction, prend une chaîne de montagnes par le travers.
"Au vent" (voir "les nuages"), l'air soulevé se refroidit et condense sa vapeur d'eau - quand il en contient assez - en nuages puis, plus haut, en précipitations. Ce faisant, l'air perd de l'eau. Quand il arrive au sommet, il n'est donc pas identique à celui qui s'élançait à l'assaut du versant. Aussi, à peu de distance de la crête, "sous Le vent", le nuage se dissipe. En effet, à l'inverse de ce qui se passe dans les ascendances, un air descendant se réchauffe et s'assèche. Lorsqu'il y a précipitation, une dissymétrie caractérise le comportement de l'atmosphère de part et d'autre de la montagne:

au vent, le nuage se forme à un niveau bien inférieur, la pluie et la neige tombent.
sous le vent, le nuage se dissipe beaucoup plus haut, il fait bien plus chaud et il peut faire très beau.
Ce contraste entre les versants est la règle là où les courants dominants sont assez humides (car s'il n'y a pas précipitation le résultat est différent : symétrie généralement).

Les exemples ne manquent pas dans nos massifs européens: le nord des Alpes est verdoyant et frais, le sud est sec et chaud même répartition dans les Pyrénées, les forêts de Lorraine et des Vosges occidentales, le vignoble alsacien, etc

Les perturbations
La genèse des perturbations est indépendante du relief; mais par la suite, leur comportement est toutefois fort affecté par la présence de la montagne, surtout si la masse de celle-ci est importante.

Au vent, les perturbations s'activent ou se réactivent (un système nuageux ne précipitant pas en plaine peut apporter neige et pluie en montagne). Sous le vent, elles se disloquent ou s'effacent, quitte à se reformer, parfois, quelques dizaines de kilomètres au-delà de la ligne de crête.

Pour peu qu'une situation perturbée se maintienne plusieurs heures, voire plusieurs jours, qu'une mer chaude alimente l'atmosphère en vapeur d'eau, des quantités de pluie ou de neige énormes peuvent s'accumuler sur un versant tandis que l'autre ne reçoit presque rien et la plaine beaucoup moins(il en est ainsi des Cévennes et du sud des Alpes par vent de sud, des Alpes italiennes par vent de sud-est ou d'est, du Népal que la mousson de l'océan indien arrose copieusement tandis que le Tibet connaît la sécheresse.)

Vie d'une perturbation



Au contact de l'air chaud et de l'air froid se forme une empoignade (1 et 2) et bientôt apparaît un tourbillon (3 et 4), qui finit par tourner sur lui-même (5), tandis qu'un nouveau front se forme (6).

L'orage
Il existe deux grandes catégories d'orages : ceux qui accompagnent des perturbations de plus ou moins grande étendue, ceux qui se développent localement dans une masse d'air devenue instable. L'orage est un événement essentiellement estival que les alpinistes, en particulier, redoutent beaucoup car il s'accompagne de phénomènes violents, soudains, imprévisibles, notamment la foudre.

On distingue 3 types d'orages.

L'orage isolé :
C'est celui qui éclate très localement en fin d'après midi ou le soir des chaudes journées d'été. Cet orage traduit une détérioration sensible de la stabilité des couches d'air par excès de chaleur à la base mais non une aggravation irrémédiable. Avec le retour de la fraîcheur nocturne, ce type d'orage se résorbe.
Si le conditions générales restent les mêmes, il peut d'ailleurs se répéter le lendemain, pas forcément au même endroit. Et ainsi de suite pendant une période de chaleur.

L'orage isolé trouve sur le relief des conditions qui lui permettent de s'y développer bien plus aisément qu'en plaine. Les mouvements ascendants, facilités par les versants, une humidité souvent plus forte (forêts, rivières, fonte des neiges) contribuent à déclencher l'orage en montagne. Celui-ci est, en général, de courte durée. Il éclate plutôt en fin d'après-midi et s'éteint en soirée.

Ainsi, un orage de faibles dimensions, environ 4 km de rayon, et qui donne de faibles quantités d'eau, environ 10mm, dégage une énergie pendant la condensation d'eau à l'intérieur du nuage correspondant à une puissance équivalente à celle de dix bombes atomiques du type Hiroshima.

La zone orageuse :
Vaste plage d'air humide, chaud et instable, qui recouvre de vastes territoires, et même la France entière parfois. A l'intérieur de cette zone, à n'importe quelle heure du jour et même de la nuit (mais quand même de préférence l'après midi et le soir) se déclenchent de multiples orages. Ces orages sont souvent annoncés par de nombreux nuages aux formes tourmentées, et notamment vers 4000m d'altitude.

L'orage de front froid :
Le plus dangereux de tous car, surtout en été, il peut être à la fois soudain, violent (rafales, fortes averses...) généralisé et accompagné d'un refroidissement intense. Il est la conséquence de l'irruption d'une masse d'air froid qui repousse brutalement l'air chaud préexistant.

L'anticyclone
Ciel bleu, soleil, forte chaleur...

Mais le beau temps en montagne n'a pas que des conséquences heureuses. La chaleur est même responsable de phénomènes dangereux, ainsi :

La transformation malsaine de la neige. Par transformation de la neige », on entend le processus de fonte à la chaleur du jour, et de regel dans la nuit. Quand il fait trop chaud, la neige fond très vite le jour, et gèle peu ou pas du tout au cours de la nuit. On dit que la neige est « pourrie », c'est-à-dire dangereuse à fréquenter parce que ne tenant pas sous les pas.

La fragilisation des passages. Les ponts de neige au-dessus des crevasses, notamment, ne demandent qu'à s'effondrer.

Les pierres se descellent et tombent dans les couloirs.

Les orages.
L'air surchauffé pompe l'humidité, jusqu'à ce que, surchargé, il dégénère en orage isolé, mais violent. Ce phénomène survient habituellement après quelques jours de "trop beau temps".
Quand craindre ce "trop beau temps" ?
La notion "d'altitude de l'isotherme zéro degré", ou, plus précisément encore, "d'altitude du niveau de gel" constitue un très bon indicateur. Il s'agit de l'altitude à laquelle, la nuit, la température est assez basse pour que la neige gèle. Ce n'est pas forcément celle à laquelle il fait 0 oC, comme on le pense souvent.

En réalité, la force du vent, le degré d'humidité de l'air, la quantité de nuages dans le ciel, voire la topographie des lieux conditionnent complètement la qualité du regel nocturne, qui varie donc beaucoup selon les lieux. On peut cependant prendre comme point de repère que, lorsque, par beau temps, l'isotherme zéro arrive au-delà de 3 500 mètres (il arrive qu'il dépasse les 4 000 mètres!), les conditions de neige sont défavorables.

La dépression
Le vent de secteur sud à ouest, plus ou moins fort, apporte des nuages et, au fur et à mesure qu'on prend de l'altitude, des précipitations variables: pluie, grêle, neige. L'arrivée d'une perturbation sur le massif montagneux provoque soit une instabilité orageuse, soit du mauvais temps caractérisé.

L'instabilité orageuse.
Elle est due à la présence d'une dépression faible qui s'est presque comblée au moment où elle arrive, mais qui, au contact de l'air chaud du beau temps, reprend de la vigueur et explose en un ou plusieurs orages. Cette situation peut durer plusieurs jours: on parle alors de "temps pourri".

Le mauvais temps caractérisé.
L'arrivée d'une perturbation active au contact du relief provoque des précipitations et du vent, aggravés avec l'altitude. Avec, pour conséquence directe, le froid et l'orage. On sait que, plus on gagne en altitude, plus l'air est froid et moins il est capable de retenir l'humidité

Ainsi, là où, en moyenne montagne, il fait encore clair, on trouve, au fur et à mesure qu'on monte, la brume, la pluie, la grêle et, enfin, la neige. Et qui dit neige fraîche et abondante dit très vite risques avalancheux, tandis que les traces sont effacées et les formes rocheuses plâtrées : les conditions deviennent hivernales. Dans le même temps, les précipitations provoquent une baisse importante de la température.

Pour l'alpiniste pris par le mauvais temps en altitude, cela signifie un épuisement physique accéléré, d'autant plus que la progression devient difficile, si ce n'est impossible. Quant au vent, non seulement il peut interdire toute progression, mais il accentue de manière affolante les effets du froid sur le corps.

 Observation et prévision

Pour s'aventurer à faire des prévisions avec quelque chance de succès, il faut d'abord procéder à un certain nombre d'observations. Pour cela, la météorologie a mis au point des instruments très compliqués, mais également quelques-uns bien plus simples.

Le baromètre.
Il mesure la pression atmosphérique en millimètres. L'aiguille du cadran indique une pression de mercure d'environ 780 mm. Sur le plan international, la hauteur barométrique est exprimée en millibars ou en hecto pascals :

1000 millibars = 1000 hecto pascals = 750 mm de mercure.

Le thermomètre.
Il permet de mesurer la température, mais surtout les variations de température. Notre système est celui de Celsius, où l'eau gèle à 0° (point de congélation) et bout à 100° (point d'ébullition).
Mais ce n'est pas partout pareil : dans les pays anglo-saxons, par exemple, on utilise l'échelle Fahrenheit, où le point de congélation se situe à + 32° et le point d'ébullition à 212°F.

L'hygromètre.
Il permet de mesurer l'humidité relative de l'air ambiant. Cette humidité relative donne, en pourcentage, le rapport entre la quantité de vapeur d'eau effectivement absorbée par l'air et la quantité maximale qui pourrait y être absorbée à la même température.

L'anémomètre.
Détermine la force et la direction du vent. La direction du vent ne s'indique pas seulement par Nord, Nord-Ouest, Ouest, etc., mais s'exprime également en degrés. Le Nord est alors aussi bien 0° que 360°. La graduation tourne dans le sens des aiguilles d'une montre, de sorte que l'Est est à 90° et le Sud à 180°. La force du vent est indiquée en kilomètres/heure (km/h), en mètres par seconde, en noeuds par heure, ou en chiffres allant de 1 à 12 selon l'échelle Beaufort.

Le pluviomètre.
C'est un simple récipient d'une surface bien déterminée. On mesure la quantité d'eau tombée avec une éprouvette graduée. Il doit être installé dans un lieu découvert, loin des arbres, des maisons ou des murs... Enfin, il doit être placé à 1m50 au-dessus du sol.

Les grands principes généraux
C'est dans la dizaine de kilomètres inférieurs de l'atmosphère que le temps se fabrique pour l'essentiel. En saison froide, la tranche active des perturbations se trouve même comprise entre 1000 et 5000 mètres. Ces premières considérations suffisent à prouver l'importance du relief qui, même lorsque son altitude est modeste, s'oppose à l'écoulement du vent et contrarie la progression régulière des perturbations. Il n'est sans doute pas inutile de rappeler, sommairement, quelques notions de météorologie élémentaire.

La pression atmosphèrique
La pression de l'air sur une surface donnée est égale au poids de la colonne atmosphérique qui a pour section la surface en question et pour épaisseur la dénivellation entre la surface et la limite supérieure de l'atmosphère. La pression s'exprime en millibars. Au niveau de la mer, elle est en moyenne de 1 013,5mb, mais déjà à l'altitude du sommet du Mont Blanc elle n'est plus que de 555mb, et au sommet de l'Everest elle avoisine 300 millibars. L'oxygène diminue dans les mêmes proportions. Ainsi s'expliquent les difficultés pulmonaires et cardiaques des alpinistes en haute altitude et la nécessité d'avoir recours aux bouteilles d'oxygène.

La pression
La pression varie à la surface du globe. Grâce au réseau des stations d'observation, sa répartition peut être mise en évidence sur des cartes où sont tracées, pour un niveau donné, des courbes isobares (courbes qui rejoignent les points où la pression est identique). C'est ainsi qu'apparaissent des zones de haute pression (les anticyclones) et des zones de basse pression (les dépressions)

L'inégalité des pressions commande le régime des vents. (en savoir plus)
En effet, le vent tend à rétablir l'équilibre de la pression en transportant de l'air des anticyclones vers les dépressions. L'écoulement de l'air n'est pas direct, comme on pourrait le croire, du centre anticyclonique vers le centre dépressionnaire. En fait, comme la Terre tourne, une force d'inertie (la force de Coriolis) agit de telle sorte que le vent respecte les conditions suivantes :



- sa direction est sensiblement parallèle aux courbes isobares ;

- sa force dépend du contraste entre les hautes et basses pressions : plus la différence de pression est grande, plus le vent souffle fort, et inversement ;

- dans l'hémisphère Nord, il tourne autour des dépressions dans le sens inverse de celui des aiguilles d'une montre ; autour des anticyclones, dans le sens des aiguilles (schéma 1 et 2).

Pour l'Europe occidentale, le régime moyen des vents est d'ouest grâce, en particulier, à la présence très fréquente de l'anticyclone des Açores et de la dépression d'Islande. La distribution des anticyclones et des dépressions à la surface de la Terre trouve son origine dans la répartition des températures.

Les régions équatoriales et tropicales, parce qu'elles reçoivent le rayonnement solaire perpendiculaire, ou presque, accumulent de la chaleur.

Les régions septentrionales, parce que le soleil ne monte jamais beaucoup au-dessus de l'horizon, se refroidissent. Les masses d'air chaudes du Sud et les masses d'air froides du Nord se juxtaposent sans se mélanger, en moyenne à la latitude des régions tempérées.
La frontière qui les sépare, étroite zone de mélange d'une dizaine de kilomètres au plus, assimilable donc, à l'échelle des cartes météorologiques habituelles, à une ligne, s'appelle le "front polaire" ( v. schéma 2).
Le front polaire est animé d'ondulations qui atteignent de très grandes dimensions (parfois 1000, 2000 km ou plus, dans le sens ouest-est). Ces ondulations s'appellent les "perturbations du front polaire", ou, plus communément, les "perturbations". Elles correspondent à la nécessité d'un échange de chaleur entre les régions nord et sud. De l'air chaud "monte" vers le Nord, de l'air froid "descend" vers le Sud


Stade du développement d'une perturbation. Mouvement relatifs de l'air chaud et de l'air froid

Les perturbations sont donc le résultat d'un rééquilibrage et même d'un conflit, entre l'air chaud et l'air froid. Cette opposition de masses d'air de densités différentes (l'air chaud est plus léger et tend à surmonter l'air froid), de teneurs en vapeur d'eau (humidité) différentes, se mani-feste par la formation de systèmes nuageux qui s'enroulent en spirales autour des dépressions.

Généralement les nuages deviennent suffisamment épais et denses pour donner des précipitations (pluie ou neige) libérant ainsi une eau devenue excédentaire (eau soustraite par le soleil aux océans des tropiques et de l'équateur et restituée à des milliers de kilomètres plus loin)



(Système nuageux principal associé à une perturbation et s'enroulant autour d'une dépression.)

Il faut encore retenir que les perturbations se développent à l'intérieur des grands courants atmosphériques et que ceux-ci les transportent, par conséquent.
C'est ainsi que les perturbations formées sur l'Atlantique parviennent, dans la plupart des cas, sur l'Europe portées par le flux d'ouest des latitudes moyennes.
Leur passage se manifeste par des précipitations plus ou moins longues et intenses, mais aussi par des changements de température parfois brutaux (suite au défilement des "poussées chaudes" du sud, et des "descentes froides" du nord). En montagne, tous ces paramètres ou "individus at-mosphériques" ont un comportement spécifique.

Le vent
Un pic montagneux isolé n'a pas grande influence sur le vent en général. Par contre, les chaînes puissantes comme les Alpes, la cordillère des Andes, les Rocheuses, l'Himalaya etc... représentent des obstacles qui modifient profondément l'écoulement des masses d'air.

Pour bien comprendre cela, il est commode d'assimiler l'air à une nappe liquide en mouvement sur un fond tourmenté, représentant le relief terrestre.
On imagine facilement le fluide des couches inférieures gêné dans sa progression par l'obstacle, obligé d'une part de le contourner à ses extrémités, d'autre part de le surmonter en créant un re-mous dans les couches supérieures.
Et si la section d'écoulement se rétrécit, la vitesse s'accélère. Il est bien vrai qu'au voisinage des crêtes le vent est notablement plus fort qu'au-dessus de la plaine, notamment au passage des cols. Le remous se répercute facilement à des hauteurs atteignant quatre à cinq fois celle des chaînes, ainsi qu'à plusieurs dizaines de kilomètres en aval des crêtes.

A l'intérieur même des régions montagneuses, chaque vallée canalise une partie du volume d'air en mouvement. Plus le réseau des vallées est compliqué, plus il offre de chicanes et plus la ventilation interne est réduite. C'est surtout le cas en hiver, car un phénomène thermique permet, en saison chaude, la pénétration de l'air des plaines jusqu'au coeur des chaînes de montagne : c'est la brise.

Si la pression commande le vent, ce dernier, contrarié par un obstacle, provoque des modifications de la pression. Ainsi, devant une chaîne de montagnes, l'air s'accumule quelque peu, créant une surpression locale. Derrière, au contraire, il existe un déficit (parce qu'une partie du fluide qui devrait normalement s'y trouver s'évacue par les extrémités et manque donc dans le sillage du relief).

Situation à mistral.
Par régime de nord-ouest, surpression au vent des Alpes, dépression du golfe de Gènes, "sous le vent".



Par régime de nord-ouest à nord, s'organise la dépression du golfe de Gênes et de la plaine du Po, tandis que le flux se divise : une partie vers la Bavière, l'autre vers la Méditerranée par la vallée du Rhône (le mistral).

Autan sur le Midi pyrénéen, par régime générale de sud.



Derrière les Pyrénées, par vent de sud, se forme un couloir dépressionnaire qui appelle l'air méditerranéen : l'Autan .

Les brises
Les différences de température selon l'altitude et l'orientation des pentes sont à l'origine de vents locaux propres à la montagne. Pendant la nuit, lorsque le ciel est dégagé, le sol (végétation, neige, roc...) perd de la chaleur.

L'air au voisinage de cette surface froide se refroidit par contact, s'alourdit et coule, vers les pentes inférieures, les vallées, puis la plaine : c'est la "brise de pente". Peu rapide, elle n'est guère perçue que par les instruments sensibles. Elle existe en toute saison. Selon le même processus thermique, un courant d'air froid descend des glaciers, même pendant la journée : c'est ce qu'on appelle le "vent des glaciers".



La "brise de vallée" s'établit d'aval en amont. Sur les versants ensoleillés, l'air réchauffé s'allège et s'organise en ascendances qui "aspirent" en quelque sorte celui des couches inférieures. Cette circulation, presque inexistante en saison froide, devient très efficace au printemps et surtout en été. Le vent d'aval atteint facilement 20 km/h, l'après - midi . Il contribue à tempérer le climat montagnard.

La météorologie est une branche de la physique du globe qui se consacre à l'observation des éléments du temps (température, précipitations, vents, pression, etc ...) et à la recherche des lois des mouvements de l'atmosphère.

Quel temps a-t-il fait ? Quel temps va-t-il faire ?
Il existe environ 7.000 stations météorologiques terrestres réparties dans tous les pays du monde. La coopération internationale y joue un grand rôle. Tous les météorologistes du monde parlent le même langage.

Toutes les observations sont codifiées.

Les symboles météo

Front chaud
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Front froid
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Front stationnaire
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Front occlu chaud

Front occlu froid
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Ouragan, cyclone

Symboles utilisés par les stations

Sur les cartes d'analyse chaque station est représentée par un ensemble de symboles que le météorologue peut interpréter.



Chaque station est représentée par un groupe de symboles comme celui qui présenté ci-dessous.

"Nébulosité complète du ciel, avec une température de l'air de 24 degrés celcius, point de rosée à 24 degrés celcius. Le vent de nord-est entre 10 et 15 noeuds. La pression à 1003,8 millibars en baisse de 1,1 millibars depuis 3 heures. Des averses de pluie sévissent et les nuages bas sont des status, la visibilité est réduite à moins d'un kilomètre. Dans l'heure qui précédait l'observation, le temps était au brouillard".



Afin de mieux comprendre l'on peut représenter cette station météo avec l'aide d'une grille.

Ch : Type de nuage élévé
Cm : Type de nuage moyen
Ce : Type de nuage bas
N : Nébulosité du ciel
PPP : Pression atmosphérique indiquée en millibars mais seulement les trois derniers chiffres sont présentés : une pression de 1002,1 sera présentée 021 alors qu'une pression à 1021,1 sera présentée 211.
PP : Variation de pression depuis la dernière observation (en millibars).
a : Représentation graphique de la variation de pression.
ww : Temps qu'il fait au moment de l'observation.
w : Temps passé dans la dernière heure au moment de l'observation.
vv : Visibilité (en kilomètre).
TdTd : Point de rosée en degré celcius.
TT : Température de l'air.



Légende des codes et des symboles utilisés

Vitesse du vent
.
V = 5 noeuds
* Direction du vent, à + ou - 5 degrés près, représentée par la hampe d'une flèche volant dans le vent.


V = 10 noeuds
* Vitesse V du vent, à + ou - 2 noeuds près, représentée par les symboles suivants ou leur combinaison.


V = 50 noeuds

Exemples

vent d'ouest, V = 25 noeuds


vent d'ouest-sud-ouest, V = 75 noeuds

vent calme, (V < 1 noeud)

vent d'ouest -sud-ouest, 1 < V < 2 noeuds

Nébulosité (cercle central)



Nuages bas (Cl)



Nuages moyens (Cm)



Nuages élevés (Ch)



Variation de pression (a)



Temps qu'il fait au moment de l'observation (ww) et temps passé dans la dernière heure au moment de l'observation (w).



Les météorologues ont, pour se faire, des moyens très perfectionnés à leur disposition : observatoires terrestres, ballons-sonde dans l'atmosphère, navires et bouées météorologiques, satellite météorologique européen (METEOSTAT) et un réseau de transmission rapide et fiable qui est l'oeuvre de l'O.M.M. (Organisation Météorologique Mondiale) et de l'U.I.T. (Union Internationale des Télécommunications).

Les données climatologiques peuvent nous aider à prendre certaines décisions dans le temps et dans l'espace. Il faudra donc observer attentivement les données prévisionnelles avant le départ d'une course.

Où se renseigner ?
Aux services de la climatologie de la météorologie nationale de Paris - 2 avenue Rapp, ou aux 150 stations de France. Il est préférable de téléphoner à la station la plus proche de l'endroit où aura lieu votre course. Il existe des répondeurs téléphoniques à vocation agricole, d'autres destinés à la montagne, à ceux qui veulent prendre la mer et enfin à ceux qui font de l'aviation légère.