ATMOSPHÈRE Thermodynamique

L’atmosphère considérée comme un gaz parfait

L’unité d’analyse de l’atmosphère : la parcelle

Au plan thermodynamique, l’air est donc un fluide constitué de molécules de nature différente, qui s’agitent dans tous les sens et s’entrechoquent. On ne s’intéressera pas ici au comportement individuel de ces molécules mais plutôt aux effets moyens de celles qui sont contenues dans de petits volumes appelés parcelles. La taille de ces parcelles devra être suffisante pour comporter un grand nombre de molécules, mais suffisamment petite pour pouvoir négliger l’influence des variations internes à l’intérieur de la cellule sur le comportement des phénomènes étudiés. Ainsi, la taille d’une parcelle ne dépassera pas quelques centimètres dans l’étude des mouvements turbulents, et sera de quelques mètres à quelques dizaines de mètres dans l’étude des nuages d’orage, quelques kilomètres dans les modèles de prévision du temps et quelques dizaines, voire centaines de kilomètres, dans les modèles de scénarios climatiques. La notion de parcelle est essentielle car elle permet de définir un sous-ensemble de l’atmosphère dont les propriétés et les transformations peuvent être définies avec une raisonnable précision. L’étude thermodynamique de l’atmosphère dans son ensemble pourra alors être envisagée comme celle d’un ensemble de parcelles en interaction.

Thermodynamique du « fluide atmosphère »

Comme n’importe quel fluide, les principales caractéristiques thermodynamiques d’une parcelle sont décrites par la pression, la température et la masse volumique. La masse volumique correspond à la masse de l’ensemble des molécules qui se trouvent dans une unité de volume. La température absolue, T (en kelvins ou K), est une mesure de leur agitation. Ainsi, si l’on atteignait le zéro absolu (T = 0 K, soit – 273,15 ⁰C), cette agitation deviendrait nulle. La pression résulte de la force par unité de surface que ces molécules exercent sur leur environnement, qui est proportionnelle à leur masse, leur nombre et le carré de leur vitesse d’agitation.

Dans les conditions atmosphériques terrestres, la pression et la masse volumique étant suffisamment faibles pour que les molécules soient très espacées les unes des autres et que leurs interactions restent négligeables, l’air contenu dans une parcelle a un comportement proche de celui des gaz parfaits. On peut en déduire qu’en première approximation ses principales variables d’état restent liées par une équation du type p = ρ‧R‧T(équation 1 ou équation des gaz parfaits), où la pression p est exprimée en pascals, la température T en kelvins, la masse volumique ρen kg‧m^–3, et où R est une constante spécifique du gaz considéré (R_a = 287,05 J‧kg^–1‧K^–1 pour l’air sec etR_v = 461,51 J‧kg^–1‧K^–1 pour la vapeur d’eau).

La pression de l’air humide peut ainsi s’écrire p = p_a + e, où p_a est la pression partielle de l’air sec et e la pression partielle de la vapeur d’eau qui, dans l’atmosphère, est toujours faible devant celle de l’air sec.

Structure verticale de l’atmosphère - crédits : Encyclopædia Universalis France — Structure verticale de l’atmosphère
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La Terre recevant d’importantes quantités de radiations émises par le Soleil, l’air qui se trouve près du sol tend à se réchauffer avant d’être entraîné vers le haut dans des mouvements convectifs et turbulents qui finissent par répartir une partie de l’énergie reçue jusque vers le sommet de la troposphère – à une altitude moyenne d’environ 8 à 9 kilomètres dans les régions polaires, 9 à 14 kilomètres dans les régions tempérées et 16 à 18 kilomètres dans les régions équatoriales. Ainsi, depuis le sol, on observe une décroissance moyenne de la température d’environ 6,5 ⁰C chaque fois qu’on s’élève de 1 kilomètre, pour atteindre des températures comprises entre – 50 ⁰C et – 80 ⁰C au niveau de la tropopause. Au-dessus, dans la stratosphère,[...]

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Écrit par

Jean-Pierre CHALON : ingénieur général des ponts, des eaux et des forêts honoraire

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

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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

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