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Climat

par pat, le 26/02/2005 à 20:43 - 3472 visites

Comment s'explique le phénomène qui fait que plus on monte en altitude,plus la température baisse alors que l'on se rapproche du soleil?

Merci pour votre réponse et bravo pour ce site!

Réponse de

par gds_bp, le 28/02/2005 à 11:14

Réponse du service Guichet du Savoir

Voici les explications données par La main à la pâte, site pédagogique, qui propose plusieurs réponses (semblables) à votre question :

1 - Réglons son compte au fait de se rapprocher du Soleil. Certes, on s'en rapproche, mais le fait de faire 10 km vers lui en rapproche autant que d'avancer d'un millimètre vers une lampe située à 15km. C'est pas ça qui réchauffera beaucoup.
Le refroidissement avec l'altitude se comprend si on admet deux résultats préalables :
la pression diminue quand on s'élève. En effet, la pression n'est que la mesure du poids de la colonne d'air qu'on a au dessus de soi. Plus on est haut, moins il y a d'air, moins c'est lourd, plus faible est la pression.
un gaz se refroidit lorsqu'on baisse sa pression. C'est presque vrai tout le temps. En tout cas, c'est vrai pour un extincteur à dioxyde de carbone (gaz carbonique).

Lorsqu'on ouvre le robinet, le gaz, initialement sous pression à la température ambiante, se refroidit en se détendant au point de se solidifier et de donner de la neige carbonique.
Pour comprendre le refroidissement de l'atmosphère avec l'altitude, il faut la considérer comme un système dynamique, où l'air est chauffé au contact du sol. Il se dilate, sa densité diminue et il s'élève (merci Archimède). Ce faisant, il se refroidit puisque lors de son ascension sa pression diminue. Ce modèle n'est pas trop faux, et, soumis au calcul, il donne le bon ordre de grandeur pour le refroidissement (6° par km). Ceci n'est vrai que dans la basse atmosphère, où cette circulation se produit normalement. Il peut se produire aussi le phénomène inverse, lorsque la terre froide refroidit l'air à son contact. Cette couche d'air froid n'a pas tendance à s'élever car l'air au dessus d'elle est plus chaud, donc moins dense. Elle reste donc immobile et piège tout ce qui s'y dégage de nauséabond et toxique. C'est l'effet d'inversion de température qui provoque le smog.
Quand on s'élève suffisamment haut, le refroidissement cesse, et les extrêmes confins de l'atmosphère sont même assez chauds, de l'ordre de 400° vers 200km d'altitude. Et là, c'est bien l'échauffement dû au Soleil qui se fait sentir


2 - Il est vrai que la température de l'air diminue avec l'altitude dans la couche de l'atmosphère la plus proche de la terre (la troposphère) : il fait plus froid au sommet d'une montagne. Mais on ne peut en faire une loi générale car la température augmente dans la couche suivante (la stratosphère) puis rediminue dans la mésosphère et enfin réaugmente dans la thermosphère jusqu'à des valeurs très élevées (plus de 1500°) ... Ce sont donc les couches les plus proches du soleil qui sont les plus chaudes. Dans la troposphère ou nous vivons la température décroît généralement avec l'altitude (mais ce n’est pas toujours très régulier: il peut y avoir des inversions de température qui empêchent le renouvellement de l'air et provoquent l'accumulation de la pollution au dessus des villes). Dans la troposphère la vapeur d'eau joue un rôle très important dans la régulation de la température car elle absorbe le rayonnement solaire ainsi que le rayonnement thermique émit par la surface de la terre. La température diminue parce que la pression de vapeur d'eau décroît avec l'altitude. Dans la couche suivante, la stratosphère ( de 10 a 50km au dessus de la surface de la terre) la température est d'abord constante puis augmente. Là c'est l'ozone, qui joue le rôle principal. L'énergie solaire est convertie en chaleur lorsque les molécules d'ozone absorbent les rayonnements Ultra-Violet du soleil.


3 - Le Soleil est à 150 millions de km de nous. Ce n'est pas parce qu'on se rapproche de 1 ou même 10km que ça doit chauffer plus.
Pour toutes les atmosphères des planètes et satellites de planètes (à ma connaissance, il n'y a que le satellite Triton qui échappe à la règle), quand on part de la surface il y a une région où la température diminue quand l'altitude augmente, la troposphère. Puis c'est la stratosphère où la température augmente avec l'altitude (pour la Terre, c'est entre 10 et 50 km grosso modo). Pour la Terre, au-dessus de la stratosphère, on a la mésosphère où la température décroît à nouveau avec l'altitude jusqu'à la mésopause, à 90 km d'altitude ; et ensuite on arrive dans la mésosphère où la température remonte à nouveau !
Pourquoi ces variations de température ? Pour la troposphère, c'est relativement simple à comprendre. Elle est chauffée par le bas, parce que la surface de la Terre est chauffée par le rayonnement solaire. Cette chaleur est transportée par les mouvements de l'air dans l'atmosphère : l'air chaud s'élève, est refroidi en altitude, et redescend (ce sont des mouvements de convection, un peu comme dans une casserole sur le feu). Le résultat final est que la température décroît d'environ 7 degrés/km.
Plus haut dans l'atmosphère, les zones où la température remonte sont celles où il y a des constituants qui absorbent le rayonnement solaire. Par exemple, dans la stratosphère terrestre, l'ozone absorbe le rayonnement UV solaire. Dans la mésosphère terrestre, des atomes d'oxygène et d'azote absorbent les rayons UV.
Pour les planètes géantes, c'est le méthane qui est responsable de la remontée de la température dans la stratosphère.


4 - Il reste un problème annexe :
Si c'est le sol qui provoque le chauffage de l'air puis la détente adiabatique qui le refroidit avec l'altitude, il devrait faire la même température au sommet d'une montagne qu'en bas dans une vallée puisque le sol est chauffé de la même manière. Les montagnes étant particulières, on peut penser plutôt à des plateaux élevés (pas d'ascendance de l'air) : plateau du Decan ou du Tibet. Or, sur ces plateaux, la température est plus basse. Est-elle aussi basse qu'à la même altitude au dessus d'une plaine (située à la même latitude) ? Je ne sais pas. L'humidité et les aérosols entrent alors en ligne de compte dans le bilan thermique. La vapeur d'eau étant le principal agent de l'effet de serre, son efficacité est réduite en altitude (échelle de hauteur de 2 km, ça doit être encore plus vrai pour le CO2, plus lourd). Le chauffage par le sol ne suffit donc pas à tout expliquer. Dans les livres sur le climat l'effet de serre est 'direct', c'est-a-dire qu'une partie du rayonnement venant du soleil est directement absorbé dans l'atmosphère par l'eau puis le CO2. La ré-emission par le sol est je crois moins importante
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