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 Troposphère et Stratosphère

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Voir aussi : diagramme des vents - Le diagramme "Skew-T" - Calcul de la pression atmosphérique avec la loi de Laplace - Caractéristiques de l'atmosphère standard : équivalence entre pression et altitude - Le capteur d'ozone ECC pour radiosondage -          

  Avant 1890, l'atmosphère terrestre était une simple couche d'air où la pression et la température décroissaient régulièrement quand on s'éloignait de la surface de la terre. Les moyens d'exploration en altitude, ballons-sondes puis fusées-sondes, ont permis de la connaître plus en détail et de la décomposer en différentes strates, déterminées principalement par la température.

Structure de l'atmosphère

  En partant du niveau de la mer on distingue :
- La troposphère, de 0 à une douzaine de kilomètres sous les latitudes moyennes (environ 9km aux pôles et 17km à l'équateur). La température de l'air y décroit régulièrement (en moyenne).
- La stratosphère, de +12 à +50 km, est séparée de la troposphère par une mince couche appelée tropopause. La température remonte plus ou moins régulièrement jusqu'à redevenir positive
- La mésosphère, de +50 à +85km, séparée de la stratosphère par la stratopause. La température y redescend jusqu'à -90°C au niveau de la mésopause car l'air n'y capte que très peu les radiations solaires [5]. Ce refroidissement est dû à la re-émission dans l'infrarouge par les molécules de gaz carbonique [4].
- La thermosphère de +85 à +500km chauffée par le rayonnement ultraviolet solaire des fréquences les plus élevés où la température remonte fortement dans la journée. [5]

  L'atmosphère peut être aussi découpée en deux tranches :
- L'homosphère qui, avec une épaisseur de 100km, incorpore les trois couches précitées. On considère que les mouvements de la masse d'air favorise le mélange des constituants de l'air que sont l'azote et l'oxygène et en maintiennent constantes les proportions.
- L'hétérosphère où les molécules des gaz les plus lourds se font plus rares quand l'altitude augmente sous l'action d'une sorte de décantation.

  L'ionosphère, qu'affectionnent en particulier les radioamateurs, commence là où le temps de recombinaison des ions devient plus important, c'est à dire vers 80km avec la couche D.

  Ce sont les deux premières couches, la troposphère et la stratosphère (du moins dans sa moitié inférieure) qui sont examinées par les radiosondes. Sur la photo ci-contre, prise par un ballon-école aux environs de la tropopause, on distingue nettement la troposphère, laiteuse à cause de la "vapeur d'eau" (en réalité des aérosols : poussières et fines gouttelettes d'eau liquide). La courbure de l'horizon est un phénomène optique dû à l'objectif de la caméra et ne doit rien à la rotondité de la Terre.




La troposphère

  Limitée par la tropopause à une altitude variable en fonction de la latitude et de la saison, elle constitue l'espace où pratiquement tout ce qui concerne la vie humaine se déroule. La plus grande partie de l'air entourant la planète s'y trouve (75 à 80%) ainsi que 98% de l'eau présente dans l'atmophère. C'est un maillon essentiel dans le cycle de l'eau et l'air qu'elle contient est brassé continuellement (d'où le préfixe tropo indiquant la notion de changement, de mouvement) ne serait-ce que par les mouvements de convection. Cette décroissance de la température s'explique par le fait que l'air, transparent au rayonnement solaire, se réchauffe surtout au niveau du sol.
  La troposphère peut encore être décomposée en deux sous-couches (si l'on peut dire). La plus basse, dont l'épaisseur (variable en fonction du lieu et du temps) est de l'ordre de quelques milliers de mètres. C'est là que se concentre la quasi totalité des êtres vivants, que l'humidité est la plus importante, que les mouvements (convection, turbulences dues au relief...) et la pollution sont les plus présents. Elle est parfaitement visible quand on prend suffisamment d'altitude, en avion ou en montagne, par exemple, à cause de la vapeur d'eau mais aussi des aérosols (poussières minérales, particules carbonées, bactéries, spores, microgouttelettes, micro-cristaux de glace...). L'atmosphère libre qui se trouve au-dessus d'elle est le siège de vents plus rapides mais aussi plus réguliers, l'air y est plus pur.

  En prenant de l'altitude, la température diminue en moyenne de 0,6 degré/100m mais des variations importantes autour de cette moyenne sont constatées en fonction du mouvement des masses d'air, du rayonnement, du relief...
  Les deux courbes de la figure ci-contre ont été tracées à partir des radiosondages effectués par la station de Payerne [1]. Celle de couleur bleue correspond au sondage du 3 janvier 2015 à 12Z et celle en rouge à celui du 3 juillet 2015 à 12Z également. On peut remarquer quelques points particuliers :
- en A : une inversion de température
- en B : la pente de la courbe est d'environ -0,7 °C pour 100m
- en C : la température au 3 janvier s'inverse brutalement à 12250m en passant par un minimum de -67,9°C. C'est l'altitude de la tropopause, très franche ce jour-là
- entre C et D la température est globalement stable et se maintient aux environs de -60°C jusqu'à l'altitude de 30000m environ où elle commence à remonter nettement. Ce palier est plus court et moins net le 3 juillet, la remontée de température est très visible.

  On peut voir que l'altitude de la tropopause est plus faible en hiver (repère "
h") qu'en été (repère "é") pour un lieu donné.



La tropopause

 Le 14 novembre 1896, à l'occasion de l'Expérience internationale rassemblant les Russes, les Allemands et les Français, l'Aérophile 3 avait eu l'occasion d'enregistrer un phénomène qui fut mit sur le compte d'une anomalie de mesure par Hugo HERGESELL et Richard ASSMANN, les scientifiques allemands. Il s'agissait tout simplement de la stabilisation de la température au niveau de la tropopause, phénomène qui ne sera expliqué que quelques années plus tard par Léon TEISSERENC de BORT, suivi de près par Richard ASSMANN lui-même. Il allait leur falloir de nombreuses observations pour cela. [2][3]
  Aujourd'hui nous avons un outil simple qui permet de déterminer par nous-mêmes l'altitude de la tropopause pour n'importe quel point de la planète. Il s'agit de NOAA-READY qui nous fournit d'habitude les windgrams prévisionnels pour alimenter nos outils de calcul de trajectoire. Voir : Mode d'emploi de NOAA-READY pour obtenir un windgram prévisionnel  
  Cette fois ce ne sont pas les vents mais la température en fonction de l'altitude qui nous intéresse. En la calculant pour 10 points régulièrement espacés le long du méridien 0 de l'équateur jusgu'au pôle Nord on obtient les éléments qui ont servi à tracer les différentes courbes de la figure ci-contre, une coupe méridienne de l'atmosphère montrant la température à différentes altitudes et latitudes.
La date du modèle est le 21/12/2015 à 12Z, il ne s'agit donc pas de moyennes ni de valeurs standard
- en
rouge : la température de +20°C. Il faut descendre au sud du 30ème parallèle pour que la température dépasse 20°C au niveau du sol. C'est l'hiver.
- en
cyan : la température de 0°C, autrement dit l'isotherme 0° se situait ce jour-là à 2500m pour les latitudes proches de 45 degrés.
- en noir : altitudes où la température est de -30°C
- en
bleu : la tropopause, c'est à dire l'altitude à laquelle la température cesse de diminuer. Cette valeur n'est pas toujours très nette et n'a ici qu'une précision relative. Pour être rigoureux, il aurait fallu appliquer la règle du WMO pour déterminer exactement l'altitude normalisée de la tropopause [6].

Remarque : la température au niveau de la tropopause n'est pas la même partout, elle est plus élevée sous les tropiques (-77°C vers le 10ème parallèle) et vers les plus hautes latitudes elle se situe aux environs de -50°C.



La stratosphère

Le préfixe strato du mot stratosphère évoque les strates géologiques ou autres, statiques et superposées. Si la stratosphère est apparemment plus calme que la troposphère qui la soutient, elle n'en est pas moins parcourue par des vents qui peuvent être très forts comme on peut le voir sur les deux mappemonde ci-dessous. Ces images sont issues de ce site. En fait, strato indique que les mouvements s'effectuent presque uniquement à l'intérieur de strates, horizontalement, alors que dans la troposphère des mouvements verticaux contribuent beaucoup au brassage.

 
70hPa (18000m), le 22 décembre 2015 à 14h. Les vents soufflent de l'ouest dans l'hémisphère nord mais il arrive qu'ils s'inversent.   10hPa (26000m), le 22 décembre 2015 à 14h - les vents les plus forts atteignent 350km/h sur le nord Pacifique (couleur blanche)

  Ces courants, souvent très différents de ceux de la troposphère, bouleversent parfois les prévisions de trajectoires de radiosonde, non seulement à cause des windgrams qui s'arrêtent à 10hPa (26000m) mais aussi parce qu'un changement de direction ou un trajet plus long peuvent être provoqués par une altitude d'éclatement plus élevée que prévue.

  La stratosphère est également le siège de la fameuse couche d'ozone, répartie entre 25 et 40 km d'altitude avec un maximum entre 30 et 35km. C'est le rayonnement ultraviolet solaire qui provoque l'accroissement de la température constatée par les radiosondes.
Des radiosondages réguliers pour mesurer la concentration d'ozone en altitude sont effectués dans les stations suivantes :
- Uccle (Belgique)
- Payerne (Suisse)
- Hohenspeissenberg (Allemagne)
- Praha-Libus (Rép. Tchèque)
- De Bilt (Pays-Bas)
- Camborne (Angleterre)
- Legionowo (Pologne)
- Madrid (Espagne)
- St-Michel-l'Observatoire (France)
- Sodankylä (Finlande)
- Valentia (Irlande)
- NY-Alesund (Norvège)
- Lerwick (UK)

Sources et notes

1 : tous les radiosondages sont disponibles sur le site de l'UWYO voir : Mode d'emploi du site UWYO  
2 : The tropopause discovery, definition and demarcation - Klaus HOINKA - Meteorol. Zeitschrift - 1997
3 : Les Ballons-sondes de MM. HERMITE et BESANCON - W. de FONVIELLE - Ed. GAUTHIER-VILLARS, Paris, 1898
4 : La tête dans les nuages, documentation - P. RICAUD - 1983
5 : Le dictionnaire des sciences - Lionel SALEM - Ed. Hachette - 1990
6 : Le WMO définit par convention la tropopause comme le plus bas niveau atmosphérique dans lequel le gradient de température est supérieur ou égal à 2°C/km et le reste dans toute la couche d'une épaisseur de 2000m qui le surmonte. Il arrive qu'une seconde tropopause soit identifiée mais nous nous contenterons du cas le plus simple.