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Météo 101 (2e partie) : Pression atmosphérique et transfert d’énergie

Pression de l’air

 

Le nombre de molécules dans  l’atmosphère diminue avec l’altitude.

Les atomes et les molécules qui composent les différentes couches de l’atmosphère se déplacent constamment dans des directions aléatoires. Malgré leur petite taille, quand ils percutent une surface, ils exercent une force, c’est la pression observée par nos baromètres.

Chaque molécule est trop petite pour être ressentie et n’exerce qu’une infime force. Cependant, lorsque nous additionnons les forces totales provenant du grand nombre de molécules qui frappent une surface à chaque instant, la pression totale observée peut être considérable.

La pression atmosphérique peut être augmentée (ou diminuée) de deux manières. Premièrement, le simple fait d’ajouter des molécules à un récipient particulier augmentera la pression. Un plus grand nombre de molécules dans un récipient  particulier augmentera le nombre de collisions avec la limite du récipient, ce qui est peut-être considéré comme une augmentation de la pression.

Un bon exemple consiste à ajouter (ou à soustraire) de l’air dans un pneu d’automobile. En ajoutant de l’air, le nombre de molécules augmente ainsi que le nombre total de collisions avec la limite intérieure du pneu. L’augmentation du nombre de collisions provoque l’augmentation de la pression à l’intérieur du  pneu, d’où l’augmentation de son volume.

La deuxième façon d’augmenter (ou de diminuer) consiste à ajouter (ou à soustraire) de la chaleur. L’ajout de chaleur à un récipient en particulier peut transférer de l’énergie aux molécules d’air. Les molécules se déplacent donc avec une vitesse accrue frappant les bords du récipient avec une force plus grande et provoquent une augmentation de la pression.

Comme les molécules se déplacent dans toutes les directions, elles peuvent même exercer une pression atmosphérique vers le haut lorsqu’elles se brisent contre un objet à partir du bas. Dans l’atmosphère, la pression atmosphérique peut être exercée dans toutes les directions.

Dans la Station Spatiale Internationale, la densité de l’air est maintenue de sorte qu’elle soit semblable à la densité à la surface de la Terre. Par conséquent, la pression atmosphérique est la même dans la station spatiale que la surface de la Terre (14,7 livres par pouce carré).

De retour sur Terre, à mesure que l’altitude augmente, le nombre de molécules diminue et la densité de l’air diminue donc, ce qui signifie une diminution de la pression atmosphérique. En fait, alors que l’atmosphère s’étend sur plus de 24 km (15 miles), la moitié des molécules d’air dans l’atmosphère sont contenues dans les 5 000 premiers kilomètres (5 000 km).

En raison de cette diminution de la pression en fonction de la hauteur, il est très difficile de comparer la pression atmosphérique au sol d’un endroit à un autre, en particulier lorsque les altitudes de chaque site diffèrent. Par conséquent, pour donner un sens aux valeurs de pression observées à chaque station, nous convertissons les lectures de pression atmosphérique de la station en une valeur avec un dénominateur commun.

Le dénominateur commun que nous utilisons est l’élévation du niveau de la mer. Dans les stations d’observations du monde entier, la lecture de la pression atmosphérique, quelle que soit l’altitude de la station d’observation, est convertie en une valeur qui serait observée si cet instrument était situé au niveau de la mer.

Les deux unités les plus courantes aux États-Unis pour mesurer la pression sont « Inches of Mercury » et « Millibars ». Pouces de mercure se réfère à la hauteur d’une colonne de mercure mesurée en centièmes de pouce. Au niveau de la mer, la pression atmosphérique est de 29,92 pouces de mercure.

Millibars vient du terme original pour la pression le « Bar ». Bar vient du grec « báros » qui signifie poids. Un millibar est égal à 1/1000e de barre et équivaut approximativement à 1000 dynes (une dyne est la quantité de force nécessaire pour accélérer un objet d’une masse d’un gramme à la vitesse d’un centimètre par seconde au carré). Les valeurs en millibars utilisées en météorologie sont comprises entre 100 et 1050. Au niveau de la mer, la pression atmosphérique standard en millibars est de 1013,2. Les cartes météorologiques montrant la pression à la surface sont établies en millibars.

Comment la température affecte-t-elle la hauteur de la pression ?

Bien que les changements soient généralement trop lents pour être observés directement, la pression atmosphérique change presque toujours. Cette variation de pression est causée par des modifications de la densité de l’air, laquelle est liée à la température.

L’air chaud est moins dense que l’air plus froid, car les molécules de gaz contenues dans l’air chaud ont une vitesse plus élevée et sont plus éloignées que dans l’air plus froid. Ainsi, bien que l’altitude moyenne du niveau de 500 millibars soit d’environ 5 600 mètres (18 000 pieds), l’altitude réelle sera plus élevée dans l’air chaud que dans l’air froid.

La variation la plus notable de la pression atmosphérique est hausse, et sa descente deux fois par jour en raison du réchauffement par le soleil; chaque jour, vers 4 heures du matin/soir. La pression est au plus bas et presque à son maximum vers 10 heures du matin/soir. La magnitude du cycle quotidien est maximale près de l’équateur et diminue vers les pôles.

En plus des fluctuations quotidiennes, les plus grands changements de pression résultent de la migration des cellules de pressions.

Les H représentent l’emplacement de la zone de plus haute pression.

Les L représentent la position de la pression la plus basse.

Important

L’unité scientifique de pression est le Pascal (Pa) du nom de Blaise Pascal (1623-1662). Un pascal est égal à 0,01 millibar ou 0,00001 bar. La météorologie utilise le millibar pour la pression atmosphérique depuis 1929.

Lorsque le changement d’unité scientifique a eu lieu dans les années 1960, de nombreux météorologues ont préféré continuer à utiliser la magnitude à laquelle ils étaient habitués et à utiliser le préfixe « hecto » (h), signifiant 100.

Par conséquent, 1 hectopascal (hPa) équivaut à 100 Pa, ce qui équivaut à 1 millibar. 100 000 Pa équivalent à 1 000 hPa, ce qui équivaut à 1 000 millibars.

Le résultat final est que, bien que les unités auxquelles nous nous référons en météorologie puissent être différentes, leur valeur numérique reste la même. La pression normale au niveau de la mer est de 1013,25 en millibars (Mb) et en hectopascal (hPa).

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Le transfert de l’énergie thermique

Le soleil est la source de chaleur de notre planète. L’énergie du soleil est transférée à travers l’espace et à travers l’atmosphère terrestre jusqu’à la surface de la Terre. Puisque cette énergie réchauffe la surface et l’atmosphère de la terre, une partie de celle-ci est ou devient de l’énergie thermique. Il y a trois manières de transférer de la chaleur dans et à travers l’atmosphère:  Radiation, Conduction et Convection

 Radiation

Chaleur émanant d’une cheminée

Si vous vous êtes assis devant une cheminée ou près d’un feu de camp, vous avez  ressenti le transfert de chaleur appelé rayonnement. Le côté de votre corps le plus proche du feu se réchauffe, tandis que votre autre côté reste insensible à la chaleur. Bien que vous soyez entouré d’air, l’air n’a rien à voir avec ce transfert de chaleur. Les lampes chauffantes, qui gardent les aliments au chaud, fonctionnent de la même manière. Le rayonnement est le transfert d’énergie calorifique à travers l’espace par rayonnement électromagnétique.

La plupart des radiations électromagnétiques émises par le soleil sur la Terre sont invisibles. Seule une petite partie vient sous forme de lumière visible. La lumière est composée d’ondes de fréquences différentes. La fréquence correspond au nombre d’instances dans lesquelles un événement répété se produit, sur une durée définie. Dans le rayonnement électromagnétique, sa fréquence est le nombre d’ondes électromagnétiques dépassant un point chaque seconde.

Notre cerveau interprète ces différentes fréquences en couleurs, notamment le rouge, l’orange, le jaune, le vert, le bleu, l’indigo et le violet. Lorsque l’œil voit toutes ces couleurs différentes en même temps, il est interprété en blanc. Les ondes du soleil que nous ne pouvons pas voir sont l’infrarouge, qui a des fréquences plus basses que le rouge, et l’ultraviolet, qui ont des fréquences plus élevées que la lumière violette. C’est le rayonnement infrarouge qui produit la sensation de chaleur sur notre corps.

La majeure partie du rayonnement solaire est absorbée par l’atmosphère et une grande partie de ce qui atteint la surface de la Terre est renvoyée dans l’atmosphère pour devenir de l’énergie thermique. Les objets de couleur sombre, tels que l’asphalte, absorbent l’énergie rayonnante plus rapidement que les objets de couleur claire. Cependant, leur énergie est également plus rapide que celle des objets de couleur plus claire.

Conduction

Le fer à souder transfère la chaleur par conduction

La conduction est le transfert d’énergie thermique d’une substance à une autre ou à l’intérieur d’une substance. Avez-vous déjà laissé une cuillère en métal dans une casserole de soupe chauffée sur un réchaud? Après un court instant, le manche de la cuillère deviendra chaud.

Cela est dû au transfert d’énergie thermique d’une molécule à une autre ou d’un atome à l’autre. De plus, lorsque des objets sont soudés ensemble, le métal devient chaud (la lueur orange-rouge) par le transfert de chaleur d’un arc.

Ceci s’appelle la conduction et est une méthode très efficace de transfert de chaleur dans les métaux. Cependant, l’air conduit mal la chaleur.

Convection

La convection est le transfert d’énergie thermique dans un fluide. Ce type de chauffage est le plus souvent observé dans la cuisine lorsque vous voyez un liquide bouillir.

L’air dans l’atmosphère agit comme un fluide. Les rayons du soleil frappent le sol, réchauffant ainsi les rochers. Lorsque la température de la roche augmente en raison de la conduction, de l’énergie thermique est libérée dans l’atmosphère, formant une bulle d’air plus chaude que l’air ambiant. Cette bulle d’air s’élève dans l’atmosphère. En montant, la bulle se refroidit avec la chaleur contenue dans la bulle qui se déplace dans l’atmosphère.

Lorsque la masse d’air chaud augmente, l’air est remplacé par l’air plus frais et plus dense qui l’entoure, ce que nous ressentons comme du vent. Ces mouvements de masses d’air peuvent être faibles dans une région donnée, telle que des cumulus locaux, ou couvrir de plus vastes régions. Les courants de convection sont responsables de nombreux régimes météorologiques dans la troposphère.

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Rudolph Homère Victor

Météorologiste

AMS

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