Qu'est-ce que la chaleur ?
Le terme est souvent employé à tort et à travers. La chaleur, en tant que telle, n'existe pas, car la quantité emmagasinée dans un corps ne peut pas être définie : la quantité que l'on peut extraire (ou transférer) dépend de la façon dont on le fait. On définit une énergie interne qui est la somme des énergies cinétiques dues à l'agitation moléculaire, c'est à dire l'énergie contenue dans un corps, et que l'on ne peut pas "voir". Elle ne dépend, pour un gaz comme l'air atmosphérique, que de la quantité de gaz et de sa température.
Quand un gaz échange de l'énergie avec un autre corps, si son volume ne change pas, c'est que seule l'énergie interne a varié. Ainsi toute l'énergie transférée sera considérée comme étant de la chaleur. Ce cas est rare dans l'atmosphère.
Quand à l'inverse, il n'y a pas de chaleur échangée, un changement de volume (compression ou détente) est accompagné d'un changement de température, car à l'énergie interne initiale s'ajoute l'énergie mécanique (travail des forces) nécessaire à la transformation. La compression de l'air sans échange de chaleur provoque son échauffement (le moteur Diesel utilise ce fait pour provoquer l'inflammation du carburant), et sa détente est accompagnée d'un abaissement de température. Ce cas est fréquent avec les masses d'air quand elles ont des mouvements en altitude, ascendants ou descendants.
L'énergie solaire
Le soleil irradie en permanence l'espace autour de lui, principalement sous forme de rayonnement électromagnétique. Ce rayonnement est dû au phénomène d'incandescence, qui fait que tout corps émet des ondes électromagnétiques dès lors que sa température absolue (mesurée à partir du zéro absolu, soit -273,15°C) n'est pas nulle. Approximativement, 50% de l'énergie est dans le domaine infrarouge (IR), 45% est de la lumière visible, et 5% sous forme d'ultraviolets (UV). Seul un deux-milliardième du rayonnement solaire est intercepté par la terre, mais cela représente, dans l'espace et en incidence perpendiculaire, 1365 watts de puissance (quantité d'énergie par unité de temps) par mètre carré, valeur pratiquement constante (elle ne varie, sur des périodes de quelques années, que d'environ 0,1%). Cette puissance est plus basse quand l'incidence n'est plus perpendiculaire, par exemple lorsque, au niveau du sol, le soleil est bas sur l'horizon, comme au début ou à la fin de la journée, ou en hiver, ou sous des latitudes élevées (régions polaires).
Les différentes interactions du rayonnement et de l'atmosphère
Contrairement à ce qu'on s'imagine, l'effet "chauffant" du rayonnement n'est pas uniquement dû aux infra-rouges, la lumière chauffe aussi ! Quand on "fait le lézard" à sa fenêtre, on reçoit de plein fouet cette énergie bienfaisante, qui agite les atomes dans notre corps et ainsi le réchauffe.
Une partie du rayonnement solaire est renvoyée vers l'espace, directement, par les différents corps qui le reçoivent : nuages (très "réfléchissants", on devrait dire diffusants), et même le sol ou la surface des océans. La proportion renvoyée s'appelle l'albédo, lequel est particulièrement important (80% au moins) pour les surfaces blanches telles que les nuages ou la neige, et bien plus faible pour la végétation, les sols dénudés, ou l'eau (10 à 40%).
Une autre partie est absorbée dans l'atmosphère. Cette partie est faible, car l'air est en général très transparent, aussi le soleil n'échauffe-t-il directement presque pas l'atmosphère, et son rayonnement atteint le sol, quasiment intact, aux soustractions dues aux réflexions près.
Le reste est absorbé au niveau du sol, qu'il échauffe. Les océans absorbent progressivement l'énergie solaire qui les atteint, car si l'eau paraît bien transparente pour des épaisseurs faibles, elle arrête presque tout le rayonnement solaire sur environ 200 mètres (il fait noir sous la mer à cette profondeur).
L'effet de serre
Si l'atmosphère laisse facilement passer la chaleur rayonnée par le soleil, il en est autrement de celle qui est rayonnée par le sol. La longueur d'onde typique du rayonnement solaire est d'un demi-micromètre environ, car sa température est d'environ 6000K. Absorbé par le sol au niveau de la terre, ce rayonnement le chauffe à environ 300K (ça fait 27°C), soit vingt fois moins, et le sol rayonne à des longueurs d'onde vingt fois plus grandes (c'est aussi le phénomène d'incandescence !), soit dix micromètres. Or certains gaz sont peu transparents à ces longueurs d'onde, comme par exemple le dioxyde de carbone, et ce rayonnement d'origine terrestre sera absorbé et donc réchauffera l'atmosphère.
Les échanges de chaleur
Chacun sait que lorsqu’on met deux objets en contact, celui qui a la température la plus élevée cèdera de la chaleur à l’autre jusqu’à ce que leurs températures deviennent égales. Comment cela se manifeste-t-il dans l’atmosphère ?
Il y a d’abord le réchauffement de l’air par ce qui est en dessous. Un sol chauffé par le soleil "fabriquera" de l’air chaud, un glacier de l'air froid.
Il y a ensuite le rayonnement. Dans la nuit, le sol rayonne de la chaleur (émission d'infra-rouges). Si le ciel est découvert, une partie de ce rayonnement est absorbée par l'air, mais cela se produit loin du sol, ce qui fait qu'à ras de terre, la température baisse. Les températures les plus basses auront lieu au petit matin, quand cet effet aura perduré toute une nuit et que le jour n'aura pas amorcé de réchauffement. Si par contre le ciel est couvert, la chaleur émise est renvoyée vers le bas et le refroidissement est bien moins important.
L'évaporation, de l'eau liquide comme de la glace (sublimation) est également un puissant facteur de refroidissement, de même que la condensation aura pour effet de réchauffer. Ces phénomènes sont mieux décrits dans un précédent "article".
La conduction de la chaleur dans l'air est un phénomène trop lent pour être intéressant de ce point de vue. L'air est en fait un excellent isolant ! C'est lui qui est le "principe actif" dans les doubles vitrages, et dans tous ces matériaux expansés comme la laine de verre.
Ainsi, le transport de la chaleur au sein des masses d'air ne se fait pas par conduction mais par convection. Cela n'a lieu que s'il y a des instabilités : l'air "trop chaud" qui se situe en bas a tendance à monter, l'air "trop froid" à descendre, à cause de leurs densités. Cela se produit fréquemment au-dessus d'une zone où le sol est fortement chauffé par le soleil, provoquant des ascendances et un certain brassage, visibles par la nébulosité (cumulus) qui se forme quand l'air chaud, en montant, voit son humidité se condenser en se refroidissant.
Ce pourquoi généralement la température baisse quand on monte
On a vu plus haut que l'air, s'il n'échange pas de chaleur, se refroidit quand il se détend. On a, de plus, dit que la conduction de la chaleur dans l'air est un phénomène négligeable. Or la pression décroît avec l'altitude, car elle dépend de la quantité (en masse) d'atmosphère que l'on a au-dessus de soi. Ainsi, une masse d'air qui monte se détend, et n'échange pas de chaleur car la conduction est quasi-inexistante. Donc sa température baisse. De plus, rappelons-le, l'air est chauffé par le bas.
C'est un fait qui peut être contredit par l'expérience, notamment en hiver, où il peut geler en plaine tandis qu'il fait 10°C dans les stations d'altitude. En fait, dans ce cas, il n'y a pas de masses d'air qui montent, car l'air froid, plus dense, reste en bas, et n'est pas réchauffé (c'est l'hiver et le soleil est rasant, donc il chauffe peu).
Le terme est souvent employé à tort et à travers. La chaleur, en tant que telle, n'existe pas, car la quantité emmagasinée dans un corps ne peut pas être définie : la quantité que l'on peut extraire (ou transférer) dépend de la façon dont on le fait. On définit une énergie interne qui est la somme des énergies cinétiques dues à l'agitation moléculaire, c'est à dire l'énergie contenue dans un corps, et que l'on ne peut pas "voir". Elle ne dépend, pour un gaz comme l'air atmosphérique, que de la quantité de gaz et de sa température.
Quand un gaz échange de l'énergie avec un autre corps, si son volume ne change pas, c'est que seule l'énergie interne a varié. Ainsi toute l'énergie transférée sera considérée comme étant de la chaleur. Ce cas est rare dans l'atmosphère.
Quand à l'inverse, il n'y a pas de chaleur échangée, un changement de volume (compression ou détente) est accompagné d'un changement de température, car à l'énergie interne initiale s'ajoute l'énergie mécanique (travail des forces) nécessaire à la transformation. La compression de l'air sans échange de chaleur provoque son échauffement (le moteur Diesel utilise ce fait pour provoquer l'inflammation du carburant), et sa détente est accompagnée d'un abaissement de température. Ce cas est fréquent avec les masses d'air quand elles ont des mouvements en altitude, ascendants ou descendants.
L'énergie solaire
Le soleil irradie en permanence l'espace autour de lui, principalement sous forme de rayonnement électromagnétique. Ce rayonnement est dû au phénomène d'incandescence, qui fait que tout corps émet des ondes électromagnétiques dès lors que sa température absolue (mesurée à partir du zéro absolu, soit -273,15°C) n'est pas nulle. Approximativement, 50% de l'énergie est dans le domaine infrarouge (IR), 45% est de la lumière visible, et 5% sous forme d'ultraviolets (UV). Seul un deux-milliardième du rayonnement solaire est intercepté par la terre, mais cela représente, dans l'espace et en incidence perpendiculaire, 1365 watts de puissance (quantité d'énergie par unité de temps) par mètre carré, valeur pratiquement constante (elle ne varie, sur des périodes de quelques années, que d'environ 0,1%). Cette puissance est plus basse quand l'incidence n'est plus perpendiculaire, par exemple lorsque, au niveau du sol, le soleil est bas sur l'horizon, comme au début ou à la fin de la journée, ou en hiver, ou sous des latitudes élevées (régions polaires).
Les différentes interactions du rayonnement et de l'atmosphère
Contrairement à ce qu'on s'imagine, l'effet "chauffant" du rayonnement n'est pas uniquement dû aux infra-rouges, la lumière chauffe aussi ! Quand on "fait le lézard" à sa fenêtre, on reçoit de plein fouet cette énergie bienfaisante, qui agite les atomes dans notre corps et ainsi le réchauffe.
Une partie du rayonnement solaire est renvoyée vers l'espace, directement, par les différents corps qui le reçoivent : nuages (très "réfléchissants", on devrait dire diffusants), et même le sol ou la surface des océans. La proportion renvoyée s'appelle l'albédo, lequel est particulièrement important (80% au moins) pour les surfaces blanches telles que les nuages ou la neige, et bien plus faible pour la végétation, les sols dénudés, ou l'eau (10 à 40%).
Une autre partie est absorbée dans l'atmosphère. Cette partie est faible, car l'air est en général très transparent, aussi le soleil n'échauffe-t-il directement presque pas l'atmosphère, et son rayonnement atteint le sol, quasiment intact, aux soustractions dues aux réflexions près.
Le reste est absorbé au niveau du sol, qu'il échauffe. Les océans absorbent progressivement l'énergie solaire qui les atteint, car si l'eau paraît bien transparente pour des épaisseurs faibles, elle arrête presque tout le rayonnement solaire sur environ 200 mètres (il fait noir sous la mer à cette profondeur).
L'effet de serre
Si l'atmosphère laisse facilement passer la chaleur rayonnée par le soleil, il en est autrement de celle qui est rayonnée par le sol. La longueur d'onde typique du rayonnement solaire est d'un demi-micromètre environ, car sa température est d'environ 6000K. Absorbé par le sol au niveau de la terre, ce rayonnement le chauffe à environ 300K (ça fait 27°C), soit vingt fois moins, et le sol rayonne à des longueurs d'onde vingt fois plus grandes (c'est aussi le phénomène d'incandescence !), soit dix micromètres. Or certains gaz sont peu transparents à ces longueurs d'onde, comme par exemple le dioxyde de carbone, et ce rayonnement d'origine terrestre sera absorbé et donc réchauffera l'atmosphère.
Les échanges de chaleur
Chacun sait que lorsqu’on met deux objets en contact, celui qui a la température la plus élevée cèdera de la chaleur à l’autre jusqu’à ce que leurs températures deviennent égales. Comment cela se manifeste-t-il dans l’atmosphère ?
Il y a d’abord le réchauffement de l’air par ce qui est en dessous. Un sol chauffé par le soleil "fabriquera" de l’air chaud, un glacier de l'air froid.
Il y a ensuite le rayonnement. Dans la nuit, le sol rayonne de la chaleur (émission d'infra-rouges). Si le ciel est découvert, une partie de ce rayonnement est absorbée par l'air, mais cela se produit loin du sol, ce qui fait qu'à ras de terre, la température baisse. Les températures les plus basses auront lieu au petit matin, quand cet effet aura perduré toute une nuit et que le jour n'aura pas amorcé de réchauffement. Si par contre le ciel est couvert, la chaleur émise est renvoyée vers le bas et le refroidissement est bien moins important.
L'évaporation, de l'eau liquide comme de la glace (sublimation) est également un puissant facteur de refroidissement, de même que la condensation aura pour effet de réchauffer. Ces phénomènes sont mieux décrits dans un précédent "article".
La conduction de la chaleur dans l'air est un phénomène trop lent pour être intéressant de ce point de vue. L'air est en fait un excellent isolant ! C'est lui qui est le "principe actif" dans les doubles vitrages, et dans tous ces matériaux expansés comme la laine de verre.
Ainsi, le transport de la chaleur au sein des masses d'air ne se fait pas par conduction mais par convection. Cela n'a lieu que s'il y a des instabilités : l'air "trop chaud" qui se situe en bas a tendance à monter, l'air "trop froid" à descendre, à cause de leurs densités. Cela se produit fréquemment au-dessus d'une zone où le sol est fortement chauffé par le soleil, provoquant des ascendances et un certain brassage, visibles par la nébulosité (cumulus) qui se forme quand l'air chaud, en montant, voit son humidité se condenser en se refroidissant.
Ce pourquoi généralement la température baisse quand on monte
On a vu plus haut que l'air, s'il n'échange pas de chaleur, se refroidit quand il se détend. On a, de plus, dit que la conduction de la chaleur dans l'air est un phénomène négligeable. Or la pression décroît avec l'altitude, car elle dépend de la quantité (en masse) d'atmosphère que l'on a au-dessus de soi. Ainsi, une masse d'air qui monte se détend, et n'échange pas de chaleur car la conduction est quasi-inexistante. Donc sa température baisse. De plus, rappelons-le, l'air est chauffé par le bas.
C'est un fait qui peut être contredit par l'expérience, notamment en hiver, où il peut geler en plaine tandis qu'il fait 10°C dans les stations d'altitude. En fait, dans ce cas, il n'y a pas de masses d'air qui montent, car l'air froid, plus dense, reste en bas, et n'est pas réchauffé (c'est l'hiver et le soleil est rasant, donc il chauffe peu).
.
inscrit le 17/10/05
32K messages