Aérologie
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L'aérologie est l'étude expérimentale in situ des caractéristiques physiques et chimiques de la troposphère et de la stratosphère[1]. C'est une technique de la météorologie où on utilise les radiosondes, les satellites, les données venant d'avions de ligne et de fusées.
Sommaire |
[modifier] Principes
On constate que dans l'atmosphère terrestre:
- La température diminue avec l'altitude, de manière plus ou moins régulière, dans la partie inférieure appelée troposphère, de 5 à 7°C par tranches de 1 000 m jusqu'à une altitude de 10 à 20 km.
- La température se stabilise ensuite sur une certaine épaisseur dans la tropopause puis se met à augmenter. Cette nouvelle portion de l'atmosphère se nomme la stratosphère. Le réchauffement y est due à l'absorption par la couche d'ozone de la plus grande partie du rayonnement ultraviolet que la Terre reçoit du Soleil
La variation de température et de pression ci-dessus n'est qu'une moyenne. La répartition dépend de l'énergie solaire absorbée ainsi que des échanges latéraux. Les régions polaires reçoivent moins d'énergie que les régions tropicales et la structure de pression et de températures avec l'altitude sera donc différente entre ces deux zones. En plus, les échanges d'énergie se produisant grâce à la circulation atmosphérique fera que la structure de P et T est unique au-dessus de chaque point de la surface terrestre.
Cependant, si on prend une parcelle d'air avec P et T définis et qu'on change son altitude, le changement de pression amènera un changement de température selon la loi :
où
- P=Pression
- T=température.
Cette loi dite de Mariotte ou des gaz parfaits ne s'applique pas parfaitement à l'air atmosphérique puisque V est infini (système non fermé) et que l'air n'est pas un gaz parfait. Toutefois l'approximation est proche de la vérité en utilisant les hypothèses suivantes :
- La gravité terrestre restreint la majorité de l'air dans une épaisseur de quelques dizaines de kilomètres au-delà de laquelle on peut considérer la fin de l'atmosphère. Ceci nous donne un système presque fermé avec la pression atmosphérique proportionnelle au poids de la colonne d'air qui surmonte le point où nous la mesurons et qui décroît avec l'altitude (Loi de Laplace)
- L'air est un mélange de gaz dont certains changent de phase si on change leur pression et/ou leur température, en particulier la vapeur d'eau. On doit donc tenir compte de l'énergie relâchée ou absorbée lors de ce changement
- On soulève de manière adiabatique qui empêche les échanges avec l'environnement.
L'objet de l'aérologie est donc de trouver par divers instruments les variables de composition, de température, de pression, de vents, etc. de l'atmosphère.
[modifier] Instruments de mesure
Les caractéristiques physiques réelles d'une colonne d'air sont mesurables par sondage. Ces derniers sont effectués à l'aide de radiosondes suspendues à des ballon-sondes. Les différents services météorologiques mondiaux ont depuis longtemps établis tout un réseau de stations qui lâchent deux fois par jour (0 et 12 heures TU) de tels ballons afin d'obtenir une vision en trois dimensions de l'atmosphère. L'Organisation météorologique mondiale coordonne le transfert de ces informations à travers le globe.
Plus récemment, d'autres moyens sont utilisés pour trouver la structure de l'atmosphère dans des couches plus élevées ou à des endroits plus difficiles d'accès :
- Les satellites donnent des informations sur la température et l'humidité de l'atmosphère qu'on peut approximer à celle de P et T grâce à certaines hypothèses. Ils peuvent donner d'autres informations comme la composition de l'atmosphère par l'analyse de la radiation
- Les avions de ligne peuvent donner des informations sur P et T le long de leur trajectoire. Ce n'est pas une mesure complète puisque l'avion ne parcours pas toutes les altitudes mais l'information est complémentaire
- Les fusées ou avions de recherche munies de capteurs vont donner des informations également sur la composition de l'atmosphère
- Les profileurs de vent, des radars pointant verticalement, donnent des informations sur les vents horizontaux, la précipitation et le mouvement vertical de l'air
- Les célomètres donne des indications sur la hauteur des nuages, sur la présence de particules de poussière, de fumée ou de précipitation dans l'air. De plus, par le coefficient d'extinction de leur faisceau, on peut estimer la visibilité verticale et la présence de pollution.
[modifier] Données météorologiques
La principale utilisation des données aérologiques est en météorologie. L'aérologie n'est pas une explication du temps mais un outil pour obtenir des données qui seront utilisées dans ce domaine.
[modifier] Notions de base
Les mesures obtenues par sondage sont portées sur des diagrammes thermodynamiques comme les émagrammes, les téphigrammes, les Skew-T ou les Diagrammes de Stüve. On y trace selon la pression et l'altitude :
- La température
- Le point de rosée
- On indique également la vitesse et la direction des vents, tirés du sondage, sur un diagramme connexe : l'hodographe.
On peut en déduire les caractéristiques de la masse d'air :
- Le taux de décroissance de température avec l'altitude est appelé gradient vertical de température
- La quantité d'humidité donnée par le point de rosée, la température où la vapeur d'eau contenue dans l'air se mettrait à condenser si on refroidissait l'air à pression constante. Là où la température et le point de rosée sont égaux, on a du nuage (altitude) ou du brouillard (sol).
Selon le taux de variation de la température avec l'altitude (gradient thermique adiabatique), l'air est :
-
-
- Stable : dans une situation d'inversion de température où la parcelle soulevée verra son T, selon la loi des gaz parfaits, être plus froid que l'environnement. Ceci ramène la parcelle vers son altitude d'origine selon la poussée d'Archimède
- Neutre: la température de la parcelle reste égal à celle de l'environnement dans tout soulèvement
- Instable: une parcelle soulevée devient plus chaude que l'environnement et continue à monter.
-
Le soulèvement de la parcelle doit se faire selon les lignes adiabatiques sèches pour air non saturé et selon les lignes pseudo adiabatiques pour l'air saturé. La condensation restitue de l'énergie et la pente n'est donc pas la même.
[modifier] Évolution des caractéristiques
Les éléments à prendre en compte sont :
- Le refroidissement nocturne qui se traduit par une forte inversion au sol en cas de ciel clair ou en refroidissement du sommet des nuages ce qui peut créer une instabilité en altitude
- L'activité solaire qui donne de l'énergie et donc peut déstabiliser les basses couches de l'armosphère
- Terrain: suivant la configuration du terrain, l'exposition des pentes et l'altitudes, le réchauffement différentiel peut mener à une déstabilisation et aux déclenchement de convection ou à l'établissement de circulations (brises de vallée)
- Soulèvement orographique : les vents poussent la masse d'air à monter la pente détente adiabatique puis à redescendre (compression). L'air change de pression et de température au cours de ce phénoméne appelé effet de foehn
- Advection de température dans la masse d'air provenant d'une région en amont selon la circulation atmosphérique.
[modifier] Autres Données
Les sondages aérologiques peuvent porter également sur:
- La composition de l'air et les polluants qu'on y retrouvent, en particulier l'ozone troposphérique.
- Les phénomènes électriques et électromagnétiques.
[modifier] Utilisations
[modifier] Prévisions métérologiques
Voir l’article Prévision météorologique.Les données aérologiques de la troposhpère sont utilisées pour initialiser les modèles de prévision numérique du temps. Ces complexes programmes informatiques, qui essayent de résoudre les équations dynamiques de l'atmosphère, utilisent comme variables les données obtenus par l'aérologie pour prévoir le déplacement des systèmes météorologiques et les précipitations. La précision est telle, que l'on a couramment 1 minute d'écart sur un temps de vol prévu de 8 heures.
[modifier] Vol à Voile
Voir l’article Vol à voile.Il y a longtemps que le vol des oiseaux (voiliers) à été observé. Un énorme travail d'observation a été réalisé notamment par Louis Mouillard (1834-1897) qui a réalisé des planeurs primitifs et a surtout laissé deux livres: L'empire de l'air et Le Vol sans battements. Il pensait qu'un jour viendrait ou l'homme voyagerait dans les airs en se faisant porter par le vent. Il s'est pas mal trompé dans ses théories, même si l'apport scientifique est très positif. La théorie de l'ascendance dynamique est cependant connue depuis Otto Lilienthal (1848-1896) qui fut le premier à monter plus haut que son point de départ à bord d'un planeur primitif de son invention. Le vol à voile dépend d'une bonne connaissance de la structure atmosphérique en utilisant l'instabilité thermique, les soulèvements orographiques et les ondes de reliefs.
[modifier] Acoustique
Voir l’article Acoustique.Les données aérologiques ont permis de tirer les variables affectant la vitesse du son dans l'air: la température et l'humidité.
L'atténuation des bruits est elle due à la compression élastique dans un gaz à pression constante selon:
LdB = L0dB − 20LogD où
- L0 est le niveau théorique à la source en décibel.
- D est la distance
En pratique l'atténuation horizontale est nettement plus élevée (en moyenne ajouter - 8 dB) et surtout extrêmement variable car les calculs de bruits sont toujours très empiriques. En plus, l'air n'est pas à pression et température constante, sa composition est variable et finalement, il n'est pas élastique de manière symétrique à cause de l'action du vent sur l'onde verticale et du gradient sur l'onde horizontale. Les données aérologiques permettent donc de calculer les caractéristiques acoustiques d'un endroit à un moment donné.
[modifier] Dispersion des polluants
Voir l’article Pollution.La pollution est en partie visible, comme dans les autres milieux, à cause des poussières et aussi parce que certaines particules favorisent la condensation. Dans les cas extrêmes, il y a odeur. Cependant, le plus gros de la pollution est inodore et invisible. Ce faisant, les polluants peuvent être plus ou moins dispersées par le vent et l'air peut être lavé par la pluie. Leur concentration après émission dépend de la stabilité de l'air: les polluants seront concentrés dans une mince couche (air stable) ou dispersés (air instable). De plus, la variation de la stabilité et les vents montrent la trajectoire de ces matières.
L'utilisation des données aérologiques permet de définir la hauteur des cheminées pour éviter les situations stables, comme les inversions, afin de diluer la concentration des rejets de combustion. Ces mêmes données peuvent servir à retracer la source d'un polluant et à prévoir d'éventuelles dépositions au sol, à condition de bien connaitre non seulement les caractéristiques de la masse d'air mais également les apports chimiques et d'humidité de l'activité industrielle responsable.
