ATMOSPHÈREThermodynamique

La thermodynamique atmosphérique est une branche de la physique qui étudie le comportement de l'atmosphère à la suite de transferts ou de transformations d’énergie, et permet d’expliquer les phénomènes météorologiques qui en découlent.

La Terre reçoit en effet de grandes quantités d’énergie solaire, inégalement réparties ; l’atmosphère, comme l’océan, participe à une redistribution globale de cet apport d’énergie sans laquelle la température des régions équatoriales et tropicales serait insoutenable et les régions polaires totalement glacées. L’atmosphère terrestre est principalement un mélange de gaz comme le diazote (N₂), le dioxygène (O₂), la vapeur d’eau (H₂O), ou l’argon (Ar), auquel s’ajoute un certain nombre de particules liquides (embruns, gouttelettes de nuage, gouttes de bruine ou de pluie…) ou solides (poussières, cristaux de glace, flocons de neige, grêlons…). Son comportement thermodynamique est plus particulièrement marqué par ses échanges d’énergie avec la surface terrestre et par la présence de molécules d’eau, dont les changements d’état en libérant, ou en absorbant, de fortes quantités de chaleur sont déterminants dans sa dynamique et dans la formation des météores.

L’atmosphère n’étant pas un système homogène, l’application des lois fondamentales de la thermodynamique impose une démarche classiquement analytique dans laquelle sont identifiés les domaines auxquels les lois s’appliquent directement, les interactions de ces sous-ensembles avec leur environnement, puis leur introduction dans un paysage thermodynamique, énergétique, plus vaste.

L’atmosphère : un mélange d’air sec et de vapeur d’eau

En météorologie, pour réduire le nombre de paramètres à considérer et pour tenir compte des particularités associées au comportement des molécules d’eau, l'air est considéré comme un mélange de deux gaz : d’un côté la vapeur d'eau et de l’autre l'air sec qui contient tous les autres gaz. On appelle « air humide » l’ensemble composé d’un mélange d’air sec et de vapeur d’eau.

Lorsqu’on s’élève dans l’atmosphère, la concentration de l'air diminue mais, en raison du brassage et de la turbulence, la plupart des constituants de l’air sec, comme le diazote (78,08 p. 100 en volume), le dioxygène (20,95 p. 100) et une grande partie des gaz rares comme l’argon (0,93 p. 100) conservent une proportion quasiment constante jusqu’à une altitude proche de 80 kilomètres. Les proportions moyennes en ozone font exception à cette règle : alors qu’elles ne dépassent pas 5 × 10^–6 p. 100 (soit 50 molécules d’ozone par milliard de molécules d’air) dans la troposphère, elles atteignent des valeurs deux cents fois plus élevées (soit 10^–4 p. 100) dans la stratosphère, qui contient ainsi 90 p. 100 de l’ozone atmosphérique, ce dernier protégeant le vivant des rayonnements ultraviolets les plus nocifs.

De son côté, la vapeur d’eau, sans cesse renouvelée par évaporation des océans, des lacs et des rivières, et par évapotranspiration de la végétation, est surtout concentrée dans les basses couches de l’atmosphère où ses proportions peuvent dépasser 4 à 5 p. 100 dans les conditions d’air chaud et humide rencontrées dans certaines régions équatoriales, mais descendre en dessous de 0,1 p. 100 dans des conditions de froid intense, comme celles sévissant en altitude et parfois observées dans des régions comme la Sibérie.

Enfin, la masse totale des gaz présents dans l’atmosphère terrestre est d’environ 5 × 10¹⁸ kg (soit 5 millions de milliards de tonnes), dont près de 1,3 × 10¹⁶ kg, soit 0,26 p. 100, concernent la vapeur d'eau.

1  2  3  4  5 …
pour nos abonnés,
l’article se compose de 12 pages

Médias

Structure verticale de l’atmosphère
Crédits : Encyclopædia Universalis France

graphique

Diagramme des états de l’eau
Crédits : Encyclopædia Universalis France

dessin

Échanges d’énergie associés aux changements d’état de l’eau
Crédits : Encyclopædia Universalis France

dessin

Cellules de convection de Bénard
Crédits : Encyclopædia Universalis France

dessin

Afficher les 7 médias de l'article