Météo · Théorie
Atmosphère et pression
Les couches de l’atmosphère, la pression qui baisse avec l’altitude, la loi des gaz et l’atmosphère standard.
L’air et les couches de l’atmosphère
L’air n’est pas un gaz unique mais un mélange. Sa composition reste la même dans toute la troposphère :
- environ 78 % d’azote ;
- environ 21 % d’oxygène ;
- 1 % pour tout le reste : gaz carbonique, vapeur d’eau, gaz rares comme l’hélium.
Moyen mnémotechnique : l’azote fait à peu près les 4/5 de l’air, l’oxygène à peu près 1/5. Le gaz carbonique et la vapeur d’eau ne comptent que dans le petit 1 % restant.
Au-dessus de nous, l’air forme plusieurs couches superposées :
- La troposphère est la couche du bas, celle qui touche le sol. C’est là que se forment les phénomènes météo qui décident de nos vols.
- Elle s’arrête à la tropopause. C’est une limite, pas une couche : à nos latitudes, elle se trouve vers 11 000 m au-dessus du niveau de la mer.
- Plus haut viennent la stratosphère, la mésosphère et la thermosphère, qui ne concernent pas directement le vol.
L’air froid, plus dense, occupe moins de volume que l’air chaud. La troposphère se tasse donc un peu en hiver et gonfle un peu en été : la tropopause est un peu plus basse en hiver, un peu plus haute en été.
La pression atmosphérique
La pression atmosphérique, c’est le poids de l’air. L’air a une masse, et la gravité terrestre la tire vers le sol, comme n’importe quelle matière.
On l’exprime en hectopascals (hPa), ou en atmosphères : 1 atmosphère vaut environ 1000 hPa, à peu près la pression au niveau de la mer.
Elle baisse avec l’altitude
La règle à retenir : la pression diminue de moitié environ tous les 5500 m. La baisse n’est donc pas linéaire : on perd chaque fois la moitié de ce qui reste, si bien que les premiers 5500 m retirent 490 hPa, et les 5500 m suivants seulement 245 hPa. Cette baisse tient à ce que l’air est un gaz, donc compressible. L’exemple part de 980 hPa au niveau de la mer ; la dernière colonne applique la loi des gaz, expliquée plus bas (fiche « Le volume : la loi des gaz ») :
| Altitude | Pression | En atm | Ballon |
|---|---|---|---|
| niveau de la mer | 980 hPa | env. 1 | 5 m³ |
| 5500 m | env. 490 hPa (la moitié) | env. 0,5 | 10 m³ |
| 11 000 m | env. 245 hPa (le quart) | env. 0,25 | 20 m³ |
Moyen mnémotechnique : à 5500 m, la moitié ; à 11 000 m, l’altitude de la tropopause, le quart.
Piège. 11 000 m n’est pas l’altitude où la pression est divisée par deux : c’est celle de la tropopause (N°4), où il ne reste qu’environ le quart de la pression du niveau de la mer. Et la pression ne cesse pas de baisser à la tropopause : sur la figure ci-dessous, elle continue de diminuer au-dessus.
Le volume : la loi des gaz
Quand la pression d’une masse d’air baisse, son volume augmente. La règle simplifiée : pression divisée par deux, volume multiplié par deux ; pression divisée par quatre, volume multiplié par quatre. Un ballon de 5 m³ lâché au niveau de la mer fait donc environ 10 m³ à 5500 m, et environ 20 m³ à 11 000 m. Le rapport est le même quelle que soit l’unité : 5 dm³ deviennent environ 10 dm³.
Cette règle ne tient pas compte de la température. Or l’air qui monte se refroidit, et l’air froid occupe moins de volume : en réalité, le volume grandit un peu moins que la règle ne le dit. Pour l’examen, c’est la règle qui compte (N°11).
À l’inverse, une masse d’air qui descend trouve une pression plus forte et son volume diminue. C’est la même loi des gaz qui refroidit l’air qui monte : il se détend et perd de l’énergie (fiche « L’air qui monte ou qui descend »).
Moyen mnémotechnique : pression et volume vont en sens inverse.
La pression change avec le temps qu’il fait
La baisse de la pression avec l’altitude est régulière et prévisible. Mais à altitude égale, la pression n’est ni partout ni toujours la même : elle change d’un lieu à l’autre, et d’un moment à l’autre au même endroit. Un baromètre le montre heure après heure.
Elle dépend de deux choses :
- la répartition générale de l’air autour de la Terre ;
- les conditions météorologiques.
Le mécanisme : le sol se réchauffe ou se refroidit, et l’air qui le touche avec lui. La densité de cet air change, donc sa pression aussi.
Au niveau de la mer, la pression moyenne sur la Terre est d’environ 1015 hPa. Au-dessus, on parle de haute pression (anticyclone) ; en dessous, de dépression. Dans nos régions, 1035 hPa correspond typiquement à un puissant anticyclone d’hiver, et cette valeur est rarement dépassée ; 955 hPa indique typiquement une dépression.
Piège. La surface ne joue qu’un rôle indirect. Une région plus froide que son entourage pendant longtemps peut donner un anticyclone, une région plus chaude une dépression. Mais le même océan Atlantique favorise un anticyclone en été, plus frais que le continent surchauffé, et une dépression en hiver, plus chaud que l’Europe froide. Ce n’est donc pas la nature de la surface qui fixe la pression, mais la situation météo (N°9).
L’atmosphère standard ICAO
Pour que tous les altimètres soient réglés de la même façon, on a fixé une atmosphère de référence : l’atmosphère standard ICAO (International Civil Aviation Organization, Organisation de l’aviation civile internationale). Ce sont des valeurs conventionnelles, proches des valeurs moyennes réelles :
| Grandeur | Valeur standard |
|---|---|
| pression au niveau de la mer | 1013,25 hPa |
| température au niveau de la mer | 15 °C |
| gradient de température | 0,65 °C par 100 m : la température baisse de 0,65 °C à chaque 100 m de montée |
Moyen mnémotechnique : le trio 1013,25 hPa – 15 °C – 0,65 °C/100 m.
Piège. Trois pressions voisines à ne pas mélanger. 1013,25 hPa est la valeur standard ICAO. Environ 1015 hPa est la moyenne réelle mesurée sur la Terre : proche, mais ce n’est pas la valeur standard. 1035 hPa, c’est déjà un puissant anticyclone d’hiver.
Piège. Le gradient standard de 0,65 °C/100 m n’est ni le 1 °C/100 m de l’air non saturé qui monte, ni le 0,5 °C/100 m d’une atmosphère au gradient faible. Le tableau complet est dans fiche « Le gradient de température ».