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Météorologie élémentaire

Ballon météo prêt à être lâché au-dessus du pôle sud. Photographie réalisée par John Storey de l'université de NSW, Australie.

Un ballon météo de 2 m de diamètre au sol peut facilement enfler jusqu'à présenter un diamètre de 30 m vers 10 km d'altitude.

La pression

Chacun de nous connaît le phénomène de pression atmosphérique à travers ses effets sur l'aiguille du baromètre ainsi que l'effet de la pression sur le volume des ballons.

Par définition, la pression atmosphérique en un point déterminé est donnée par le poids d'une colonne d'air de section unité s'élevant verticalement jusqu'à la limite supérieure de l'atmosphère. Physiquement parlant il s'agit d'une force s'exerçant par unité de surface (r = F/S). Ainsi, au niveau de la mer par 15°C, la pression de l'air exerce une force de 1 kg/cm2 soit 1 atmosphère. Au total, la masse de l'atmosphère qui s'étend du sol à l'exosphère, soit sur quelque 800 km d'épaisseur est évaluée à 5.1 x 1018 kg.

Par définition, la pression en un point est donnée par le poids de la colonne d'air qui le surmonte. Lorsqu'on s'élève, la hauteur de cette colonne diminue, tout comme son poids, et la pression diminue en conséquence.

La loi de variation de la pression avec l'altitude suit grosso-modo une fonction logarithmique. On peut ainsi dire que pour une même différence d'altitude, la différence de pression diminue à mesure que l'on s'élève, ou autrement dit, pour une même différence de pression la différence d'altitude augmente à mesure que l'on s'élève : ainsi, on constate que si une différence de pression de 1 mbar au sol représente une différence d'altitude de 8.5 m, cette distance sera de 25 m à 10 km d'altitude, de 100 m à 20 km d'altitude et d'environ 100 km aux confins de l'atmosphère.

Par ailleurs, la différence d'altitude entre la base et le sommet d'une couche d'air est constante pour toutes les couches dont le rapport entre la pression à la base et au sommet est identique. Ainsi, la différence d'altitude entre les niveaux de pression de 1000 et de 500 mbar est identique à celle entre les niveaux de 800 et 400 mbar.

On peut ainsi déterminer que dans les basses couches de l'atmosphère (entre le sol et 4 km d'altitude), la pression diminue de 1.25 mbar en moyenne tous les 10 m (8.60 m au sol et 12.5 m à 4 km d'altitude).

En appliquant ces lois, on découvre que la pression atmosphérique chute d'environ 50 % à 5.5 km d'altitude, de 90 % à 16.2 km d'altitude et de 99 % à 31 km d'altitude. On peut donc considérer que 50 % de la masse totale de l'atmosphère se trouve en-dessous de 5.5 km d'altitude.

Systèmes de mesures CGS et MKS

Beaucoup de personnes utilisent encore l'ancien système de mesure CGS dont l'unité de pression est le barye, dans lequel 1 bar vaut 106 baryes. Dans le nouveau système internationale (dit MKS) en vigueur depuis les années 1960, le bar est remplacé par le pascal (Pa) qui équivaut à 1 N/m2. De ce fait 1 mbar = hectopascal (hPa).

Rappelons qu'une pression de 1013.25 millibars à 15°C équivaut à une pression de 1013.25 hPa à 15°C ou 1013250 dynes/cm2, 760 mm de hauteur de mercure ou encore 760 Torr (1 Torr = 1.359 g/cm2) à la température de 0°C. Cela correspond également à une force de pression de 1.01x105 Newton/m2.

La physique aime abuser des unités de mesures !

NB. le nom "millibar" s'accorde en nombre tandis que "mbar" est invariable.

TranslatorsCafé  -  Convertisseur d'unités de l'ULgConversioni

Beaucoup de pays anglo-saxons utilisent encore leur ancien système d'unités dont les "Imperial units" dans le Commonwealth ou l"U.S. customary units" aux États-Unis dans lesquels 1013 mbar ou 1 atmosphère correspondent à... 14.7 psi (pounds per square inch ou livres par pouce carré). Ces unités sont encore parfois utilisées dans l'industrie et en science.

Officiellement tous les instituts doivent légalement communiquer dans le système MKS, notamment dans toutes les publications scientifiques. Toutefois, dans les pays anglo-saxons, face aux plaintes de nombreux lecteurs, les autorités ont accepté que les unités nationales soient conservées dans les publications destinées au public, y compris les communiqués de presse et les réseaux sociaux. C'est la raison pour laquelle parfois la NOAA ou la NASA par exemple utilise encore les miles et les psi par exemple tout en indiquant (parfois) entre parenthèses la valeur équivalente en km ou en hPa.

Modèles standards

Du fait que les paramètres atmosphériques varient en fonction de nombreux facteurs (position au sol, altitude, saison, heure du jour, conditions météos, etc), l'atmosphère a été normalisée afin qu'on puisse disposer de valeurs standards de pression et température en fonction de l'altitude. Plusieurs modèles existent, certains propres aux États-Unis comme l'U.S. Standard Atmosphère (1958/1976), mais deux modèles servent de référence :

- le modèle ISA ou modèle de l'Atmosphère Standard International (International Standard Atmosphere) qui fut normalisé par l'organisation ISO en 1975 sous la norme ISO 2533. Ce modèle divise l'atmopshère en couches avec une distribution linéaire de température. Les autres valeurs sont calculées à partir des constantes physiques et de leurs relations.

Ce modèle est basé sur les conditions moyennes aux latitudes moyennes telles que les a définies le comité technique ISO TC20/SC 6. Le modèle ISA est parfois révisé.

Dans le modèle ISA, au niveau de la mer et à 15°C, la pression atmosphérique est de 1013.25 hPa. Cette valeur définit également la limite entre les zones de basses et de hautes pressions. Dans ces conditions normalisées, trois valeurs physiques ont également été définies :

- La densité de l'air est de 1.22500 kg/m3 (soit 0.0012 g/cm3 ou 1.2 g/litre)

- La vitesse du son est de 340.294 m/s

- La viscosité dynamique est de 0.0000181206 Pa.s.

Dans le modèle ISA, la température baisse de 6.5°C/km dans la première couche, c'est-à-dire la troposphère, et ce jusqu'à 11 km d'altitude et le niveau de la tropopause où règne une pression de 226.32 mb et une température de 0°C. Voici quelques valeurs standards :

Modèle ISA de l'atmosphère (1976)

Couche

Nom de la couche

Altitude géopotentielle au-dessus du niveau moyen de la mer en km

Altitude géométrique au-dessus du niveau moyen de la mer en km

Gradient adiabatique (lapse rate) en °C/km

Température de base (°C)

Pression atmosphérique de base en Pa

0

Troposphère

0.0

0.0

−6.5

+15.0

101325

1

Troposphère

11.000

11.019

+0.0

−56.5

22632

2

Stratosphère

20.000

20.063

+1.0

−56.5

5474.9

3

Stratosphère

32.000

32.162

+2.8

−44.5

868.02

4

Stratosphère

47.000

47.350

+0.0

−2.5

110.91

5

Mésosphère

51.000

51.413

−2.8

−2.5

66.939

6

Mésosphère

71.000

71.802

−2.0

−58.5

3.9564

7

Mésosphère

84.852

86.000

-

−86.28

0.3734

- le modèle OACI ou modèle de l'Organisation de l'Aviation Civile Internationale (International Civil Aviation Organization, ICAO) qui fut normalisé en 1993 sous la référence Doc 7488-CD disponible sur CD-ROM. Il s'agit d'un modèle similaire à l'ISA mais il s'étend jusqu'à l'altitude de 80 km (262500 pieds) et ne contient pas de vapeur d'eau. Voici quelques valeurs standards :

Modèle OACI de l'atmosphère (1993)

Hauteur en km

Température en °C

Pression en hPa

Gradient adiabatique (lapse rate) en °C/km

0 km

+15.0

1013.25

-1.98

11 km

-56.5

226.00

0.00

20 km

-56.5

54.70

+0.3

32 km

-44.5

8.68

-

Notons que les standards et règles d'aviation sont basés sur le modèle ISA. Ainsi, l'indicateur de la vitesse du vaisseau par rapport à l'air ambiant (anémomètre avec tube de pitot) est calibré en assumant qu'il est utilisé au niveau moyen de la mer (MSL) dans le modèle ISA où la densité de l'air est de 1.22500 kg/m3. Cette normalisation est très pratique en météorologie pour les comparaisons avec les valeurs réelles et ajuster l'altimètre en conséquence (voir plus bas).

Variations de la pression

Au cours d'un cycle de 24 heures, la pression présente une double oscillation : la pression augmente entre 4 et 10 h (locale) du matin, elle diminue entre 10 et 16 h, augmente à nouveau entre 16 et 22 h et diminue de nouveau entre 22 et 4 h.

Cette amplitude de pression varie avec la latitude : elle est négligeable aux pôles, inférieure à 1 mbar dans les régions tempérées tandis qu'elle peut dépasser 4 mbar dans les régions équatoriales.

Il existe des variations irrégulières de pression liées aux perturbations atmosphériques. Elles jouent un rôle majeur aux latitudes supérieures à 30° où elles masquent la variation diurne. Leur amplitude varie de quelques millibars à plusieurs dizaines de millibars.

Calculette : Standard Atmosphere Computations (Java)

  1976 Standard Atmosphere Calculator

AtmosModel Simulator (NASA-GRC)

ISA Pressure and settings

A gauche, variation de la pression atmosphérique en fonction de l'altitude selon le modèle normalisé de l'OACI utilisé par l'aviation civile. C'est le même que le modèle International de l'Atmosphère Standard (ISA) à la différence qu'il s'étend jusqu'à 80 km d'altitude. Cette courbe suit à peu de chose près une fonction logarithmique. La pression dimininue d'environ 1 mbar ou hPa tous les 10 mètres. Les valeur standards sont : 850 mb à 1500 m d'altitude, 700 mb à 3000 m, 500 mb à 5500 m, 250 mb à 10400 m et 200 mb à 12 km d'altitude. La pression est d'environ 1 mb à 50 km d'altitude et de 0.000000011 mb à 500 km d'altitude. A droite, la variation diurne de la pression observée en un lieu. Son amplitude varie avec la latitude et est négligeable aux pôles. Documents T.Lombry.

Le champ de pression

Par champ on entend un espace dans lequel les forces sont orientées (vecteurs) indépendamment des masses qui s’y trouve. En pratique le champ de pression se matérialise par la force du vent. Sur les cartes météorologiques il est matérialisé par les lignes d'isobares représentant les lignes d'égale pression. Les isobares sont tracés par interpolation des pressions mesurées en différents points d'une région et ramenés au niveau moyen de la mer; elle sont en général dessinées à des intervalles de 2, 4 ou 5 mbar en fonction de l'échelle de la carte synoptique.

La distance entre deux isobares donne une représentation statique du gradient de pression, en d'autres termes du taux de variation de la pression en fonction de la distance.

Le gradient horizontal de pression s'exprime ordinairement en mbar/km ou en mbar par degré de latitude. Plus les isobares sont serrés plus le gradient de pression est élevé et plus les vents soufflent forts dans cette région.

Le tracé des isobares montre, en tout temps et en toute région, un certain nombre de configurations types :

- L'anticyclone ou zone de hautes pressions (High, symbole H ou A) : il s'agit d'une région où la pression augmente à mesure qu'on se rapproche du centre. Les isobares se présentent sous forme plus ou moins circulaire, la pression la plus élevée se trouvant au centre. Les dimensions des anticyclone sont du même ordre de grandeur que celles des dépressions.

- La crête anticyclonique (Ridge) : il s'agit de la proéminence d'une zone de hautes pressions s'étendant à l'intérieur d'une zone de pression moins élevée. cette proéminence n'est jamais assez aiguë pour former un V.

- La dépression ou zone de basses pressions (Low, symbole L ou D) : parfois dénommée cyclone, il s'agit d'une région où la pression décroît à mesure qu'on se rapproche du centre. Les isobares se présentent sous forme plus ou moins circulaire. Une telle région peut avoir un diamètre variant de quelques centaines de mètres à plusieurs centaines de kilomètres.

- Le creux ou thalweg (Trough) : il s'agit du prolongement, dans une direction déterminée, d'une zone de basses pressions; les isobares s'y présentent sous forme de V à angle plus ou moins aigu.

- Le col ou marais barométrique : il s'agit d'une région de transition située entre deux anticyclones et deux dépressions. En raison de la direction variée des vents, il s'agit souvent d'une région de vents calmes.

La pression dans le jargon aéronautique : le code Q

Sachant que la pression atmosphérique diminue avec l'altitude, à raison de 10 m en moyenne dans les basses couches, les pilotes d'avion mesurent leur altitude au moyen d'un altimètre qui n'est autre qu'un baromètre anéroïde dont les indications de pressions sont converties en altitude.

On comprendra de suite qu'il peut exister plusieurs références (par rapport au niveau de la mer ou par rapport au sol) et autant de risques d'erreurs. Comment dans ce cas un pilote peut-il "caler son altimètre" comme l'on dit afin de se coordonner avec les contrôleurs en mer (sur les portes-avions) ou ceux travaillant au sol (dans les tours de contrôle), chacun disposant d'une valeur de pression différente ?

Calculette : QFE - QNH - QFF Calculator

Altimètre d'un F-16.

Les pilotes font appel au code Q qui définit clairement le niveau de pression barométrique de référence, le niveau "zéro" qui permet de caler leur altimètre de bord :

- QFE : pression barométrique mesurée au niveau de la piste

- QNH : pression barométrique corrigée des erreurs instrumentales, de température et de gravité et ramené au niveau moyen de la mer suivant les caractéristiques de l'atmosphère standard du modèle ISA (variation de 6.5°C/1000 m).

- QNE : C'est l'altitude correspondant en atmosphère standard ISA à la pression barométrique actuelle. Il est utilisé pour déterminer le niveau de vol (flight level).

- QNH régional : c'est le QNH le plus bas observé dans la région considérée. Il est utilisé, pour des raisons de sécurité évidentes, par les centres de contrôle régionaux. Sachant que l'altitude peut varier de quelque 10 mètres par millibar, les pilotes sont obligés de régler leur altimètre avant l'atterrissage, et de comparer sa valeur avec le QNH réel au risque de trouver la piste plus tôt que prévu...

De simples règles permettent de passer d'un système de référence à l'autre. Elles doivent également tenir compte des erreurs instrumentales et de la température réelle entre les points de départ et d'arrivée. Ce sont de beaux exercices pour les étudiants préparant les examens !

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