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ATMOSPHÈRE Thermodynamique

Thermodynamique et mouvements verticaux des parcelles

À des températures inférieures à 20 ou 30 0C, comme celles généralement rencontrées dans l’atmosphère, l’air, même saturé en humidité, est un bon isolant : de faible conductivité thermique, il se mélange assez difficilement, si bien que celui qui se trouve dans une parcelle échange assez peu avec l’extérieur. Au cours d’une transformation, sa température et sa masse volumique peuvent ainsi rester très différentes de celles de l’air environnant, mais en revanche sa pression s’ajuste très rapidement à celle du milieu ambiant.

Même si plusieurs processus, comme l’absorption d’une partie du rayonnement solaire incident ou des échanges avec l’air environnant peuvent parfois modifier sensiblement les caractéristiques thermodynamiques d’une parcelle d’air, les quantités d’énergie mises en jeu restent toutefois limitées au regard de celles qui peuvent intervenir lors d’un changement d’état de l’eau ou, au voisinage de la surface terrestre, par turbulence, conduction et rayonnement infrarouge.

Les principales transformations subies par les parcelles d’air atmosphérique sont ainsi généralement classées en deux catégories : les transformations isobares au cours desquelles la pression reste constante ou varie faiblement, et les transformations adiabatiques qui se produisent sans échange de chaleur avec le milieu extérieur. L’étude de ces transformations définit les comportements, en particulier les mouvements verticaux des parcelles d’air, en fonction du milieu qui les entoure.

Les transformations isobares

Lorsque la surface terrestre est fortement refroidie par son rayonnement infrarouge, la nuit, ou échauffée par le Soleil dans la journée, il peut se produire d'importantes différences de température entre cette surface et l'atmosphère sus-jacente. Des écarts de 10 0C sont fréquents et, bien que la conductibilité thermique de l’air soit faible, elle est suffisante pour qu’il se refroidisse ou se réchauffe de plusieurs degrés. Par vent faible, les changements de température et de masse volumique pouvant être beaucoup plus rapides et plus importants que ceux de la pression, on assimile souvent ce type de transformations à des transformations à pression constante ou transformations isobares.

En utilisant l’équation 1 sous la forme p1ρ1‧R‧T1 et p2 = ρ2‧R‧T2 pour désigner respectivement l’état initial et l’état final d’une transformation, si la pression est constante, c’est-à-dire si p2 = p1, on peut alors écrire : ρ2‧T2 ρ1‧T1 et ρ2 = ρ1‧T1/T2. On en conclut que si l'air devient plus chaud (T2 > T1), il devient aussi moins dense (ρ2 < ρ1), c’est-à-dire que les molécules présentes dans la parcelle occupent un plus grand volume. Ainsi, dans ce type de transformation, l’air plus chaud est moins dense et aura une meilleure aptitude à s’élever. À l’inverse, s’il devient plus froid, il devient plus dense, ce qui favorise son étalement sur le sol.

Les transformations adiabatiques

En altitude, l’air d’une parcelle ayant peu d’échanges avec son environnement, on considère qu’en première approximation les modifications observées se font sans échange de chaleur avec le milieu extérieur. On peut alors les qualifier de transformations adiabatiques et supposer que l’air de la parcelle considérée se comporte comme s’il était enfermé dans une enveloppe parfaitement élastique et imperméable à la chaleur, mais permettant à la pression interne de s’ajuster instantanément à la pression de son voisinage.

Les lois qui s’appliquent aux gaz parfaits montrent qu’en absence d’échange de chaleur les variations de température et de masse volumique sont reliées aux variations de pression (équations 2) : ρ/ρ  0,714 p/p; T/T  0,286 p/p.

Ainsi, si nous soulevons de 1 000 mètres une parcelle d’air non saturée en vapeur d’eau,[...]

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Pour citer cet article

Jean-Pierre CHALON. ATMOSPHÈRE - Thermodynamique [en ligne]. In Encyclopædia Universalis. Disponible sur : (consulté le )

Médias

Structure verticale de l’atmosphère - crédits : Encyclopædia Universalis France

Structure verticale de l’atmosphère

Diagramme des états de l’eau - crédits : Encyclopædia Universalis France

Diagramme des états de l’eau

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

Échanges d’énergie associés aux changements d’état de l’eau

Autres références

  • ACCÉLÉROMÈTRES SPATIAUX

    • Écrit par Raphaël F. GARCIA, Pierre TOUBOUL
    • 4 883 mots
    • 3 médias
    ...du sol à la frontière entre l'atmosphère et l'espace. En effet, comme le gradiomètre permet de mesurer les accélérations ressenties par le satellite, il est sensible aux variations de densité de l'air ainsi qu'aux déplacements des couches atmosphériques qui exercent une pression sur le satellite....
  • AÉRONOMIE

    • Écrit par Gaston KOCKARTS
    • 4 157 mots
    • 11 médias

    L' aéronomie a pour objet l'étude des régions atmosphériques où les phénomènes de dissociations moléculaires et d'ionisation sont importants. Cette définition s'applique aussi bien à l'atmosphère terrestre qu'aux atmosphères planétaires. Le mot aéronomie fut imaginé par Sidney Chapman (1888-1970) et...

  • AIR

    • Écrit par Jean PERROTEY
    • 2 154 mots
    • 2 médias

    Le globe terrestre est entouré d'une atmosphère constituée d'un mélange gazeux nommé air, qui s'étend de la surface du sol jusqu'à une altitude d'environ 150 kilomètres.

    La pression de l'air au niveau de la mer a longtemps servi d'unité de pression (atmosphère) ; elle...

  • ANTARCTIQUE

    • Écrit par Pierre CARRIÈRE, Edmond JOUVE, Jean JOUZEL, Gérard JUGIE, Claude LORIUS
    • 16 481 mots
    • 24 médias
    ...la circulation atmosphérique. Enfin, on a observé pour la première fois une corrélation directe entre l'évolution de la température et la teneur de l' atmosphère en gaz carbonique, les périodes les plus chaudes étant associées à des teneurs plus élevées et vice versa. En ce qui concerne l'époque récente,...
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Voir aussi