Présentation de l'atmosphère
Tous les phénomènes météorologiques que nous subissons ont pour siège l'atmosphère, ce milieu gazeux dans lequel nous sommes plongés. Il n'est donc pas question de comprendre ni de prévoir le temps sans faire préalablement connaissance avec cette atmosphère.
Contrairement à cet autre milieu fluide qu'est l'océan, l'atmosphère n'a pas de limites bien définies. La couche d'air devient en effet de plus en plus ténue à mesure qu'on s'élève en altitude et finit par se fondre graduellement dans le milieu interplanétaire; la démarcation est donc extrêmement imprécise, et d'ailleurs fluctuante, l'activité solaire produisant des mouvements de contraction ou de dilatation de la haute atmosphère.
Avant l'ère spatiale, on estimait la hauteur de cette couche aérienne à une centaine de kilomètres; mais très vite, avec les premiers satellites artificiels, on s'est aperçu que sa densité était encore notable jusqu'à un millier de kilomètres.
Finalement, l'atmosphère ne commence à se confondre avec le « vide » spatial qu'à partir de 3 000 ou 4 000 km; on ne compte plus alors qu'une douzaine de particules par centimètre cube: un milliard de milliards de fois moins qu'au niveau du sol !
En valeur absolue, cette hauteur de l'atmosphère nous paraît considérable. Ramenée aux dimensions du globe terrestre, elle est en fait assez réduite puisqu'elle ne représente que le quart de son diamètre.
Et si l'on ne considère que l'atmosphère dite « dense », dont la limite se situe vers 130 km, on s'aperçoit alors qu'elle ne constitue qu'une mince pellicule : l'équivalent de 2 ou 3 mm sur un globe d'écolier !
C'est vers 130 km que s'allument les étoiles filantes et que les satellites artificiels « décrochent » de leur orbite. Pourtant, à cette altitude-là, l'air est encore quelques centaines de millions de fois moins dense qu'au niveau du sol...
En définitive, l'atmosphère se révèle être une couche extrêmement compacte près de la surface, sa densité diminuant très vite avec l'altitude: à 5 000 m, c'est-à-dire au sommet d'une haute montagne, on a déjà au-dessous de soi la moitié de la masse atmosphérique.
À 30 km, altitude moyenne d'un ballon-sonde, cette proportion passe à 99 pour 100; autrement dit, 1 pour 100 de l'air atmosphérique se trouve réparti entre 30 et 3 000 km.
Une structure en couches
A l'aide de ballons-sondes, puis de fusées, il a été possible de dresser ce que l'on appelle le « profil » de l'atmosphère, c'est-à-dire de suivre les variations de pression et de température, en particulier, en fonction de l'altitude.
Du point de vue thermique, on distingue cinq couches.
• La première, qui part du sol et s'étend jusqu'à 12 km en moyenne, est la troposphère; c'est une zone dense et turbulente, dans laquelle se déroulent pratiquement tous les phénomènes météorologiques. La température y décroit régulièrement à raison de 5 à 10 °C par kilomètre, suivant le degré d'humidité.
• Vient ensuite la stratosphère, dans laquelle la température, qui était tombée à - 50 °C au sommet de la troposphère, remonte lentement jusqu'à 0 °C. C'est au milieu de cette zone, entre 25 et 35 km, que se situe la couche d'ozone, très importante pour la vie terrestre du fait qu'elle absorbe la plus grande partie des rayons ultraviolets émis par le Soleil.
• La troisième zone de l'atmosphère, ou mésosphère, s'étend approximativement entre 50 et 85 km d'altitude. Elle se caractérise essentiellement par une nouvelle baisse de la température, qui atteint alors sa plus basse valeur : - 90 °C au sommet de la couche.
• Au-delà s'étend la thermosphère, au sein de laquelle circulent la plupart des satellites artificiels. De nouveau la température croît, et très rapidement, dépassant 0 °C vers 140 km, au sortir de l'atmosphère dite «dense», et se stabilisant aux environs de 900 °C dans sa partie supérieure, vers 400 km. Empressons-nous d'ajouter que cette valeur étonnante traduit seulement la grande agitation des atomes et molécules, mais qu'une telle température serait physiologiquement inappréciable en raison de la faible densité de l'air qui règne à cette altitude.
• L'enveloppe ultime de l'atmosphère est l'exosphère, dont la limite supérieure, nous l'avons vu, est extrêmement imprécise. Au niveau du sol, on compte 20 milliards de milliards de particules dans chaque centimètre cube d'air; à la base de l'exosphère, on n'en compte plus que 1 million ; et seulement 10 000 vers 2 500 km.
C'est dans la stratosphère, aux environs de 30 km, que le ciel devient complètement noir, et dans la mésosphère, vers 70 km, que les sons cessent d'être transmis.
On peut encore structurer l'atmosphère suivant deux autres critères: sa composition chimique et son état électrique.
Du point de vue chimique, les spécialistes distinguent ainsi l'homosphère (jusqu'à 100 km d'altitude), caractérisée par une composition assez homogène, et l'hétérosphère (au-delà de 100 km), dans laquelle les différents constituants de l'atmosphère ne sont plus mélangés mais se répartissent en couches successives suivant leur masse moléculaire.
Du point de vue électronique existent trois divisions: la neutrosphère, peu électrisée (jusqu'à 60 km), l'ionosphère et la protonosphère (au-delà de 1 500 km).
L'ionosphère est particulièrement intéressante, car elle présente trois concentrations électroniques bien connues (désignées par les lettres D, E et F) qui, surtout entre 80 et 320 km, agissent comme de véritables miroirs vis-à-vis des ondes radio.
C'est ainsi que l'on peut réaliser des liaisons en ondes courtes avec des pays situés aux antipodes par réflexions successives sur ces couches ionosphériques.
Quel air respirons-nous ?
De toutes ces couches, seule la troposphère nous intéresse ici, puisque c'est dans cette zone qu'évoluent les grandes masses d'air et tous les phénomènes qui leur sont associés. C'est le domaine de la météorologie.
On a longtemps cru que l'air était un élément chimique en lui-même. C'est seulement dans la seconde moitié du XVIIIe siècle qu'on le décomposa en plusieurs corps simples, chacun ayant des propriétés bien définies.
L'azote fut découvert en premier, par Scheele, en 1770. C'est d'ailleurs le constituant essentiel de l'atmosphère (78 pour 100). Il s'agit d'un gaz inerte, qui n'est pas absorbé directement par les plantes, mais participe cependant au cycle biologique (engrais). Il a dû s'accumuler dans l'atmosphère, à l'origine, à la suite d'intenses éruptions volcaniques.
L'oxygène, deuxième élément constitutif de l'atmosphère, fut également découvert par Scheele, en 1772, mais c'est le chimiste français Lavoisier qui le premier, en 1777, en précisa les caractéristiques chimiques. L'oxygène, longtemps connu sous le nom d'« air-feu », est nécessaire à la vie mais n'existait pas à l'origine; sans doute est-il apparu assez tardivement dans l'histoire de la Terre; d'ailleurs, on ne trouve pratiquement pas d'oxygène sur les autres planètes du système solaire. Il est quatre fois moins abondant que l'azote (21 pour 100).
L'azote et l'oxygène, à eux deux, forment 99,04 pour 100 de l'air atmosphérique. En troisième position, mais très loin derrière, arrive l'argon, découvert en 1894, simultanément par Lord Ray-leigh et Sir Ramsey.
Trois ans plus tard, ce dernier réussit à isoler trois autres gaz du même type: le néon, le krypton et le xénon. Encore moins abondants que l'argon, ils ne sont présents dans l'air qu'à l'état de traces. Ce sont des émanations de la croûte terrestre.
A cette liste s'ajoutent le gaz carbonique et la vapeur d'eau, classés à part du fait qu'ils existent en proportion variable.
Le gaz carbonique, qu'il est plus correct d'appeler anhydride carbonique, est issu des volcans, de la respiration des êtres vivants et, depuis peu, de la combustion de matériaux fossiles (charbon, pétrole, etc.). C'est un gaz lourd, toxique, dont la proportion moyenne dans l'atmosphère est cependant relativement faible : 0,03 pour 100.
Il fut découvert en 1757 par Black, qui l'appela «air fixe». Bien que peu abondant, il revêt une très grande importance du point de vue climatique, car il donne lieu, à l'échelle de la Terre entière, à un effet de serre qui influe sensiblement sur la température générale de la planète.
La vapeur d'eau existe en proportion extrêmement variable : de 0,1 à 4 pour 100 en volume, suivant que l'air est très sec ou saturé. C'est elle qui donne naissance aux nuages, qui sont une caractéristique fondamentale du temps, et aux différents hydrométéores, que nous passerons en revue dans la section Les éléments du temps.
Mais l'atmosphère ne contient pas que des gaz. Elle renferme également, en suspension, un grand nombre de particules microscopiques d'origines extrêmement variées : cristaux de sels des océans, poussières volcaniques, poussières de fumées industrielles, grains de sable très fins, grains de pollen, spores, etc.
Tous ces corps minuscules qui flottent dans l'atmosphère au gré des vents ont une grande importance, car ils véhiculent des virus et jouent le rôle de noyaux de condensation dans les nuages, favorisant la pluie. Certaines substances toxiques, comme les goudrons cancérigènes, peuvent également se condenser à leur surface.
L'air vraiment « pur » renferme moins de 100 poussières par centimètre cube, mais on ne le trouve qu'au-delà de 4 000 m d'altitude.
Au niveau du sol, cependant, l'air est d'une bonne qualité après la pluie, qui entraîne avec elle les impuretés de l'atmosphère.
Mais en temps normal l'air que nous respirons renferme environ 100 000 grains de poussière par centimètre cube ; cette densité est multipliée par 10 dans le « smog » qui recouvre les grandes villes industrielles et divisée par 1 000 au-dessus des océans ou en haute montagne.
Température et pression
C'est au Soleil, avant tout, que la Terre doit sa température superficielle; les sources internes (géothermie et radioactivité du sol) sont 4 000 fois moins intenses. Cette énergie solaire, que l'on songe maintenant sérieusement à exploiter, représente 2 calories par centimètre carré pour chaque minute qui s'écoule.
C'est ce que les astronomes et les météorologistes appellent la «constante solaire». En clair, cela signifie que le Soleil peut faire monter la température de 1 litre d'eau de 1 °C en huit heures ou faire fondre une épaisseur de 5 cm de glace en une demi-journée d'éclairement.
Du moins en théorie. Car il faudrait pour cela que le rayonnement soit perpendiculaire à la surface, ce qui n'est le cas qu'aux environs de midi et pour des régions voisines de l'équateur. De plus, cela suppose une atmosphère absolument transparente; or, dans la réalité, 60 pour 100 du rayonnement solaire se trouve réfléchi ou diffusé par les nuages et les aérosols en suspension.
Les 40 pour 100 restants n'en ont pas moins une grande importance. Parvenus au sol, ils élèvent en effet la température des océans et des continents qui, transformés en radiateurs à basse température, deviennent à leur tour des émetteurs de chaleur (rayonnement infrarouge, ou I.R.).
C'est alors qu'interviennent le gaz carbonique et la vapeur d'eau, qui ont la propriété de bloquer la réémission vers l'espace de ce rayonnement thermique, et piègent en quelque sorte cette chaleur secondaire.
Le verre possède une propriété analogue, et c'est pourquoi on l'utilise dans la fabrication des serres: il laisse passer le rayonnement visible, mais bloque le rayonnement I.R. de plus grande longueur d'onde.
De même, le gaz carbonique et la vapeur d'eau de l'atmosphère provoquent un véritable effet de serre, qui fait monter la température de l'air jusqu'à ce qu'un équilibre s'instaure, compte tenu des pertes qui ont lieu au niveau de la stratosphère.
La température de la troposphère n'est donc due que partiellement au rayonnement direct en provenance du Soleil, et l'on comprend alors à quel point l'air qui nous entoure joue un grand rôle dans l'équilibre thermique de la planète.
C'est pourquoi, par exemple, les différences de température entre le jour et la nuit ne sont pas très grandes, alors qu'elles peuvent atteindre 300 °C sur des astres dépourvus d'atmosphère, comme la Lune. Inversement, la température absolue est considérable, et les écarts insignifiants, sur une planète à atmosphère très dense comme Vénus, où l'on enregistre près de 500 °C.
Pour la Terre, la moyenne annuelle de 14,3 °C, au niveau du sol, diminue d'environ 1 °C tous les 170 m jusqu'à la troposphère. Cette limite est plus basse au-dessus des pôles (8 km) qu'au-dessus de l'équateur (17 km); la température est alors tombée à - 55 et - 85 °C respectivement.
Paradoxalement, la tropopause est donc plus chaude au-dessus des pôles qu'au-dessus de l'équateur; mais il faut remarquer que son altitude est inférieure de 9 km.
Généralement, la température au niveau du sol atteint son point culminant non pas à midi comme on pourrait le croire, mais environ deux heures plus tard; cet écart est dû à l'inertie thermique du sol, qui ne s'échauffe pas instantanément et, de même, ne commence à se refroidir qu'un certain temps après la culmination du Soleil. Quant à la température minimale, elle est atteinte le plus souvent juste avant l'aube.
Pour la même raison, la période la plus chaude de l'année ne se situe pas au moment précis de l'été astronomique, lorsque les jours sont les plus longs, mais un mois plus tard, dans la seconde quinzaine de juillet. Le même décalage est enregistré en hiver, où les températures moyennes minimales ne se rencontrent pas juste avant Noël, mais plutôt fin janvier ou début février.
L'atmosphère se caractérise non seulement par sa température, mais aussi par sa pression, ces deux données étant d'ailleurs liées entre elles dans une certaine mesure.
C'est le physicien italien Torricelli qui le premier, en inventant le baromètre, mit en évidence le « poids » de l'air, en 1643. Puis Pascal, à partir d'une expérience effectuée au sommet du puy de Dôme, montra que cette pression diminue avec l'altitude. Laplace, peu après, calcula la loi de décroissance de cette pression.
Au niveau du sol, la pression atmosphérique moyenne est de 760 mm de mercure, soit 1013,3 millibars (mb). La pression exprimée en millimètres de mercure est en effet égale aux trois quarts de sa valeur en millibars. Plus simplement, retenez que chaque centimètre carré de la surface terrestre, au niveau de la mer, supporte une colonne d'air de 1 kg.
La décroissance de la pression est d'abord assez rapide : environ 1 mb tous les 10 m. Elle n'est plus que de 1 mb tous les 20 m vers 5 500 ou 6 000 m et de 1 mb tous les 100 m entre 15 et 20 km d'altitude.
Ainsi, de 760 mm au niveau du sol, la pression tombe-t-elle à 100 mm au sommet de la troposphère (12 km) et à 2 mm seulement à l'altitude de plafonnement des ballons-sondes, vers 40 km.
Sur les dix premiers kilomètres, cette pression est loin d'être constante et varie sans cesse en fonction du mouvement des différentes masses d'air; celles-ci étant associées à divers types de temps, on conçoit alors qu'il sera possible de suivre le déplacement des masses d'air à partir des variations de la pression atmosphérique au sol, d'où l'importance du baromètre pour les prévisions météorologiques.
Pourquoi le ciel est-il bleu ?
Avant d'aborder les problèmes liés au temps et à sa prévision, il nous faut d'abord répondre à une question souvent posée. Lorsqu'il fait beau, la voûte céleste au-dessus de nos têtes est bleue, d'un bleu foncé, parfois violacé au zénith, plus clair vers l'horizon. Pourquoi cette couleur et pas une autre ?
Pour le comprendre, il faut savoir que les radiations émises par le Soleil ne traversent pas toute l'atmosphère. Certaines sont complètement absorbées, d'autres ne le sont que partiellement, et d'autres enfin pas du tout.
La lumière blanche, par exemple, à laquelle notre œil est sensible, parvient très facilement jusqu'au sol et représente le spectre dit « visible ».
En haut de la gamme, nous avons des rayonnements de plus grande longueur d'onde: ce sont les rayons I.R. (infrarouges), qui ont une action thermique; vers le bas, aux courtes longueurs d'ondes, nous trouvons les U.V. (ultraviolets), qui exercent une action chimique. Ce sont ces derniers qui pigmentent la peau et sont responsables du bronzage des vacanciers.
Les molécules d'air diffusent ces radiations du spectre visible dans toutes les directions, mais favorisent surtout les faibles longueurs d'onde, c'est-à-dire le bleu et le violet. Voilà pourquoi le ciel est bleu.
Au contraire, si l'air renferme une forte proportion de vapeur d'eau ou de poussières, alors les radiations plus longues seront elles aussi favorisées, donnant des tons jaunes, orangés ou rouges; c'est le cas en particulier au lever et au coucher du soleil, lorsque les rayons de l'astre ont à franchir une plus grande épaisseur d'atmosphère; à l'horizon, en effet, le trajet de la lumière solaire dans l'atmosphère est 30 fois plus long qu'au zénith.
Le ciel est une grande palette aux tons changeants, et ce du fait de la présence d'une atmosphère. Si celle-ci n'existait pas, le ciel serait noir, même en plein jour, comme sur la Lune.
Il n'y aurait ni pluie ni vent, et aucune protection contre ces projectiles de l'espace que sont les météorites, ou contre les rayonnements nocifs de courte longueur d'onde émis par le Soleil. Nous ne pourrions pas non plus faire de feu, ni respirer, et les écarts de température seraient énormes.
L'atmosphère, on le voit, joue un rôle important. Notamment parce que, sans elle, il n'y aurait pas de vie possible sur la Terre. Il n'y aurait pas non plus de météorologie, et cette section n'aurait aucune raison d'être...
