(S-1A)   Rapports entre temps et atmosphère

Voici une Extension facultative de la section (S-1) "les rayons du soleil et la terre" La répartition de la chaleur par l'atmosphère et le temps qui en découle, dont les rôles de la "flottabilité", de la convection et de l'humidité. "les écoulements et les climat en général est présentée plus en détails (mais qualitativement) dans la section S1-B.

Le vent vient de n'importe où et d'ailleurs,
et il y retourne.
                Ecclesiastes, ch. 1, v.6

Pression et convection

    Voyons d'abord les flux d'air. Supposons une "masse d'air" (du volume d'à peu près ce qu'on peut observer près de la terre), réchauffée par la conduction calorifique due au contact direct avec la surface chaude du sol. La chaleur ladilatant, elle "flotte, " parce qu'elle est moins dense que l'air environnant et s'élève comme une montgolfière (ou comme des gouttes d'huile dans une bouteille d'eau).

    Aux niveaux les plus élevés de l'atmosphère, cette bulle chaude reperd sa chaleur (vers d'autres écoulements ou peut-être vers l'espace plus froid), refroidit, puis est rejetée de côté par d'autres bulles sous jacentes, et redescend. (diagramme ci contre). Cette circulation s'appelle la convection.

En règle générale, la convection concerne tout écoulement qui

1. Monte quelque part en température
2. Se refroidit ailleurs
3. Est mobilisé par ce transfert de chaleur.

L'important à retenir est que dans les échanges de courants de convection, les plus élevés sont dans l'atmosphère, les plus bas sont à la pression et à la densité de l'air. Ils sont comprimés par le poids de l'air situé au dessus , qu'ils supportent. Au sommet du Mont Everest, la pression est diminuée parce qu'il y a moins d'air au dessus.

Au niveau du sol, la pression de l'atmosphère vaut environ 1 kilogramme par centimètre carré. Cette pression s'accorde avec notre organisme dont les gaz sont à la même pression, et dont les fluides (comme le sang) sont relativement incompressibles. De même, les poissons n'ont pas de problème avec la profondeur. -- Ils n'éprouvent aucun trouble, même à une profondeur de 100 mètres, avec une pression 11 fois plus grande (l'eau au-dessus pèse 10 kilogrammes par centimètre carré, plus le poids de l'atmosphère).

(Les plongeurs supportent aussi cette pression, puisque l'air qu'ils respirent s'équilibre en pression au fur et à mesure ,mais il y a risque de dissoudre le surplus d'oxygène et d'azote dans la circulation sanguine quand il faut changer le mélange)

Plus on monte, plus il fait froid !-- Pourquoi ?

Dans une atmosphère stable, plus l'altitude est élevée, plus l'air est froid.

L'air qui est proche de la terre est plus chaud car il reçoit directement la chaleur et la lumière du soleil. Il est plus froid à 10-15 kilomètres au dessus, au delà du trajet des avions de ligne, car c'est la zone où la majeure partie de la chaleur rayonne dans l'espace. C'est pourquoi les sommets des montagnes sont froids et que les plus hautes sont couvertes de neige.

(Des couches atmosphériques encore plus élevées peuvent se réchauffer, par l'effet des UV et "extrêmes UV", ce qui est sans conséquence sur les couches situées plus bas).

Quelle en est la raison précise?

Supposons que la "masse d'air" (air sec, pour l'instant -- l'humidité est un facteur supplémentaire qui sera vu plus loin, chauffée par la terre, s'élève. La pression baisse en hauteur, et elle se dilate : cette expansion la refroidit .

Inversement, si pour une raison quelconque le "paquet" d'air est soufflé vers le bas, il se recomprime et s'échauffe par compression. De tels mouvements de haut en bas se produisent constamment, mais dans des conditions stables le résultat global est que la température chute régulièrement avec l'altitude.

Le mouvement de la masse d'air dépend de son environnement. Si elle se refroidit toujours par expansion, est-elle toujours plus chaude que l'air immobile qui l'avoisine ? Si oui, elle continue à monter ; si non, elle s'arrête. Comme on le verra, l'humidité de l'air joue alors un rôle important.

Normalement, le réchauffement direct de l'air par la terre ne le transporte que sur quelques centaines de mètres, peut-être un kilomètre, ce qui crée au-dessus de la terre une "zone frontalière", siège de nombreuses turbulences peu importantes Les mouvements à grande échelle comme les orages se produisent habituellement plus haut. (voir ci-dessous).]

Vapeur d'eau

   Les rayons du soleil peuvent aussi évaporer l'eau de surface, au lieu de réchauffer la terre, -- particulièrement celle des océans, qui recouvrent la majeure partie de la surface terrestre. Il faut se rappeler que l'air humide contient de l'l'énergie supplémentaire, fournie par le soleil en évaporant l'eau. La chaleur déclenche la convection, l'humidité l'amplifie.

   L'air chaud et humide est à l'origine des orages, et d'ailleurs la surface chaude des océans est le lieu traditionnel de naissance des orages tropicaux violents. Ces ouragans, sont connu sous le nom de "hurricanes" en Amérique et "typhons" en Asie.

Voyons deux exemples de l'action de l'humidité .

1. Dans la formation d'une courant orageux , l'air chaud et humide s'élève, comme dans la convection habituelle. En atteignant les régions de pression plus basse, il se refroidit en se dilatant. Mais de l'eau surnuméraire est chassée, puisque l'air froid ne peut en contenir autant que l'air chaud. Cette eau forme des nuages si la convection est modérée (comme dans le deuxième exemple ci-dessous), et ceux ci se saturent et se transforment en pluie si la perturbation est importante.

      L'eau mobilisée vers le haut réchauffe l'air, ou plus exactement ralentit son refroidissement, puisque la chaleur initialement communiquée par le soleil à l'eau d'évaporation est de nouveau transférée à l'air environnant. Par conséquent cet air réchauffé continue à monter vigoureusement et en s'élevant réchauffe à son tour les couches d'air immobiles qui l'entourent...Cela entraîne de plus en plus de pluie et forme de grands nuages d'orage, que les pilotes doivent bien connaître afin de les éviter.

       (Dans les très violents orages, lescourants d'air ascensionnels ("updrafts") peuvent souffler si rapidement qu'ils projettent des gouttes de pluie dans les parties plus élevées et les plus froides du nuage, où ils gèlent , produisant de la grêle. Quelques grêlons peuvent encore être renvoyés vers le haut, se couvrant un peu plus de glace à chaque voyage ascendant. C'est ainsi que les gros et exceptionnels grêlons se forment.)

2.    Par un temps chaud et dégagé, de nombreux petits nuages " pelucheux " peuvent se former. Le pilote d'un petit avion constate qu'il est soulevé à chaque fois qu'il passe sous ces nuages. Pourquoi ?

      --En voici la raison : le réchauffement de la terre par le soleil déclenche de multiples petits courants ascensionnels de convection. Leur air contient de l'humidité, pas suffisamment pour provoquer un orage sérieux, mais assez pour former des petits nuages, dès que les gouttelettes d'eau se condensent à la faveur du refroidissement de l'air.

       Ces petits nuages marquent la limite des nombreux courants d'air de la "zone frontalière" au dessus de la terre,. Chaque nuage repose sur un courant de convection, qui soulève l'avion qui le traverse. : Le pilote peut également traverser des courants descendants entre les nuages et joue ainsi aux "montagnes russes". Les passagers des avions en basse altitude peuvent être rendus tout à fait nauséeux par ces mouvements de va et vient !

   Quel est l'auteur de la phrase célèbre "Tous les gens parlent du temps, mais y en aurait il un seul capable d'agir sur lui "? On pense souvent qu'elle est de Marck Twain (entrez seulement les 5 premiers mots dans un moteur de recherche et regardez !), mais ce n'est pas tout à fait vrai. C'est dans lson style, mais en fait ces mots sont apparus pour la première fois sous la plume de Charles Dudley Warner, dans un journal de Hartford le 24 août 1897. Warner, très ami de Twain, qui avait longtemps habité à Hartford (il l'avait quitté en 1897), était journaliste à Hartford. Ils avaient tous deux collaboré en1873 à un livre sur "l'âge d'or." Warner a laissé d'autres citations, par exemple : la "politique mène à de bien étranges amitiés."

Sur cette citation, voyez le lien
        http://www.m-w.com/wftw/99aug/082499.htm.
D'autres renseignements sur Charles Dudley Warner et Twain :
        http://courant.ctnow.com/projects/twain/warner.htm.