Science qui étudie l'atmosphère terrestre. Elle a pour objet d'en connaître les états pour comprendre les phénomènes qui s'y déroulent afin de décrire le





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Thème n°1 : Météorologie


  1. Historique

Définition :

La météorologie, science qui étudie l'atmosphère terrestre. Elle a pour objet d'en connaître les états pour comprendre les phénomènes qui s'y déroulent afin de décrire le temps qu'il fait et de prédire le temps qu'il fera. La météorologie observe et étudie les trente premiers kilomètres de l'atmosphère en contact avec la surface de la Terre: la troposphère et la stratosphère inférieure.




Le 14 novembre 1854, une terrible tempête, survenant sans la moindre alerte lors de la guerre de Crimée (1853 – 1856), traverse l'Europe d'ouest en est, causant la perte de 41 navires dans la Mer Noire. Suite à cette catastrophe, le Ministère de la guerre de l’époque chargea l’astronome Urbain Le Verrier (1811 – 1877) de trouver les causes de ce désastre. Le Verrier et Emmanuel Liais, son directeur adjoint, entreprennent alors (le 16 février 1855), à la demande de Napoléon III, de mettre en place un réseau d'observatoires météorologiques sur le territoire français, destiné avant tout aux marins afin de les prévenir de l'arrivée des tempêtes. Ce réseau regroupe 24 stations dont 13 reliées par télégraphe, puis s'étendra à 59 observatoires répartis sur l'ensemble de l'Europe en 1865 : dès 1863, la première prévision météorologique (prévision à 24 heures grâce à des cartes et bulletins météorologiques quotidiens) destinée au port de Hambourg est réalisée. C'est la naissance de la météorologie moderne.
Source : Wikipedia.org (Urbain Le Verrier)

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/89/urbain_le_verrier.jpg?uselang=fr

Urbain Jean Joseph Le Verrier

(1811 – 1877)




  1. L’atmosphère

L’atmosphère terrestre est l'enveloppe gazeuse entourant la Terre que l'on appelle « air ».

    1. Structure

L'atmosphère est divisée en plusieurs couches d'importance variable. Leurs limites ont été fixées selon les discontinuités dans les variations de la température, en fonction de l'altitude :
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L'exosphère commence avec l'exobase, qui est aussi connu comme le « niveau critique », vers 500 – 1 000 km et s'étire jusqu'à plus de 10 000 km d'altitude. Elle contient des particules circulant librement et qui migrent ou proviennent de la magnétosphère ou du vent solaire.

L'ionosphère chevauche à la fois la thermosphère et l'exosphère (voir la remarque).

La thermopause est la limite supérieure de la thermosphère. Elle varie entre 500 et 1 000 km d'altitude.

La thermosphère est la couche atmosphérique commençant vers 80 – 85 km et allant jusqu'à 640 km d'altitude. La station spatiale internationale orbite dans cette couche à une altitude maintenue autour de 350 à 400 km.

La mésopause est la frontière entre la mésosphère et la thermosphère. C'est le lieu le plus froid de la Terre, avec une température de −100 °C (173,1 K).
La mésosphère s'étend de 50 km à environ 80 – 85 km. C'est dans cette couche que la plupart des météoroïdes se consument (brûlent) en entrant dans l'atmosphère.
La stratopause est la limite entre la stratosphère et la mésosphère. Elle se situe vers 50 – 55 km d'altitude. La pression représente environ 1/1000 de la pression atmosphérique au niveau de la mer.
La stratosphère s'étend de la tropopause, entre 7 et 17 km et environ 50 km. La stratosphère contient la majeure partie de la couche d'ozone.

La tropopause est la frontière entre la troposphère et la stratosphère.
la troposphère est la partie la plus basse de l'atmosphère ; elle commence à la surface et s'étend entre 7 et 8 km aux pôles et de 13 à 16 km à l'équateur, avec des variations dues aux conditions climatiques. Elle contient 80 à 90 % de la masse totale de l'air et la quasi-totalité de la vapeur d'eau. C'est la couche où se produisent les phénomènes météorologiques (nuages, pluies, etc.) et les mouvements atmosphériques horizontaux et verticaux (convection thermique, vents).


Remarque :

  • L'ionosphère est la partie de l'atmosphère ionisée par les radiations solaires, s'étire de 60 à 800 km et se constitue de trois couches : la couche D (60 à 90 km), la couche E (90 à 120 km), et la couche F (120 à 800 km). Elle chevauche à la fois la thermosphère et l'exosphère. Elle joue un rôle important dans l'électricité atmosphérique et forme le bord intérieur de la magnétosphère. Grâce à ses particules chargées, elle a une importance pratique car elle influence, par exemple, la propagation des ondes radio sur la Terre. Elle est le lieu où se déroulent les aurores et les phénomènes lumineux transitoires liés aux orages.




    1. Composition de l’atmosphère terrestre

On considère l'air atmosphérique comme un mélange d'air sec et de vapeur d'eau. L'air sec est lui-même un mélange de plusieurs gaz, de composition pratiquement constante dans les couches inférieures intéressant les météorologistes.

Composition de l’atmosphère terrestre :

Gaz

Volume (%)

Diazote (N2)

78,084 %

Dioxygène (O2)

20,946 %

Argon (Ar)

0,9340 %

Dioxyde de carbone (CO2)

0,0400 % (en mai 2014)

Néon (Ne)

Hélium (He)

Méthane (CH4)

Krypton (Kr)

Dihydrogène (H2)

Monoxyde d'azote (NO)

Protoxyde d'azote (N2O)

Xénon (Xe)

Ozone (O3)

Dioxyde d'azote (NO2)

Iode (I2)

Monoxyde de carbone (CO)

Ammoniac (NH3)


Air sec
Très faible quantité

Vapeur d'eau (H2O)

de < 1 % à  5 % (très variable)
Remarque : d'autres éléments d'origine naturelle sont présents en plus faible quantité, dont la poussière, le pollen et les spores ainsi que des virus, bactéries. De très nombreux aérosols d'origine naturelle ou anthropique sont aussi présents dans l'air, ainsi que des polluants. Ce sont notamment le CO (contrairement à une idée reçue, le CO2 n'est pas un polluant de l'air mais un gaz à effet de serre qui a peu d'effet direct sur la santé), les matières particulaires, les oxydes d'azote, le chlore (élémentaire ou surtout composés), le fluor (composés), le mercure et le soufre (en composé tel que le SO2). Les régions agricoles sont aussi sources de méthane (fermentation des lisiers, rizières), de pesticides (plus ou moins solubles dans l'air ou dans l'humidité de l'air selon leur tension de vapeur, d'azote (issu des engrais).
Source : Wikipedia.org (Atmosphère terrestre)

A RETENIR :

La composition chimique de l'atmosphère comprend, pour l'essentiel :

  • Diazote : 78%

  • Dioxygène : 21%

  • Gaz rares (Argon, Néon, Hélium...), vapeur d'eau et dioxyde de carbone : 1 %

    1. La pression atmosphérique

      1. Définition

La pression atmosphérique résulte des chocs des molécules d’air entre elles et avec les objets dans l’atmosphère. C’est, avec la température, un paramètre fondamental en météo pour prévoir le temps qu’il fera.


Historiquement, les premières mesures de la pression atmosphérique ont été effectuées par Evangelista Torricelli (1608 - 1647), physicien et mathématicien italien, dans les canaux de VENISE. De là fut mis au point un instrument pour la mesurer, le baromètre. Celui-ci utilise du mercure (Hg) pour mesurer la pression atmosphérique. La première unité de mesure de la pression atmosphérique fut le millimètre de mercure (mmHg) ou le pouce de mercure (InHg) pour les Anglo-saxons.
Dans le système international d’unités, la pression se donne en Pascal. En météo il est plus pratique d’utiliser l’hectopascal (1 hPa = 100 Pa). On utilise également le millibar (1 mbar = 1 hPa).
La valeur moyenne au niveau de la mer est de 1013 hPa soit 760 mmHg.





Dans l’atmosphère, la pression en un point est pratiquement égale au poids d’une colonne d’air de section horizontale égale à 1 m² et située au-dessus du point de mesure (jusqu’au sommet de l’atmosphère).
La pression (P) d’un gaz est donc une force (F) par unité de surface (S) :

N



Pa

(N.m–2)


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A RETENIR :

  • La pression atmosphérique se mesure à l’aide d’un baromètre ;

  • L’unité de pression dans le système international est le Pascal (symbole : Pa) :

1 Pa = 1 N.m2

 En pratique l'unité utilisée est l'hectopascal (hPa) qui vaut exactement un millibar, ancienne unité utilisée jadis en météorologie. La pression atmosphérique au sol vaut donc environ 1000 hPa.


  • On retiendra les équivalences suivantes :

1013 hPa = 1013 mbar = 760 mmHg (= 29,92 InHg)

1 hPa = 1 mbar = 100 Pa

1 bar = 105 Pa

      1. Les cartes de pression

Les météorologues analysent les variations horizontales de la pression atmosphérique pour localiser et suivre les systèmes météorologiques : cela permet de définir, sur les cartes, les zones de dépressions, les zones anticycloniques et les isobares.
isobare



A RETENIR :

  • Un anticyclone (A en français ou H (High) en anglais) est une région de l'atmosphère où la pression est élevée par rapport à celle du voisinage au même niveau ;

  • Une dépression (D en français ou L (Low) en anglais) est une région de l'atmosphère où la pression est plus basse que dans le voisinage au même niveau ;

  • On trouve sur les cartes météorologiques des courbes joignant les points de même pression, ramenée au niveau de la mer : les isobares.


Remarques :

  • Un thalweg (ou talweg), encore appelé creux barométrique, est une région de basse pression de l'atmosphère, issue d'une dépression, prenant à l'horizontale une forme suffisamment allongée pour qu'on puisse y distinguer un axe passant par son centre. Les creux barométriques sont donc analogues à une vallée géographique : le creux s'étend depuis la dépression le long d'un axe passant par son centre ;




  • Une dorsale anticyclonique est une crête de hautes pressions ;

  • Les cols sont des zones situées entre des dépressions ou des anticyclones et marquant une inversion de sens d’évolution de la pression ;




  • Un marais barométrique est une zone où la pression varie peu.



      1. Évolution de la pression avec l’altitude

La pression atmosphérique diminue lorsque l’on gagne de l’altitude mais cette variation n’est pas linéaire :

http://www.astrosurf.com/luxorion/physique/atmosphere-pression-oaci.jpg

Variations de pression au niveau de la mer :

  • La pression varie en fonction de l’altitude mais aussi selon le lieu ;




  • Selon la nature du sol et divers autres paramètres, la température n’est pas uniforme au niveau de la mer et de ce fait la pression ne l’est pas non plus.


 La diminution est plus rapide en basse altitude qu’en haute altitude.
La diminution est plus importante en basse altitude qu’en haute altitude :


  • 1 hPa tous les 28 ft (au niveau de la mer) ;

  • 1 hPa tous les 100 ft (vers 3000 m ou 10000 ft)
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