Modèles de l'atmosphère terrestre
Fondamental : Atmosphère isotherme
On suppose que l'atmosphère est au repos.
Elle est constituée d'un GP de masse molaire
.
La température est supposée constante, notée
.
La relation d’équilibre de la statique des fluides donne :
La masse volumique de l'air s'exprime en fonction de la pression et de la température constante
:
D'où :
Soit, en séparant les variables :
En intégrant :
Soit :
Numériquement :
Application :
A partir de quelle hauteur h la pression atmosphérique diminue-t-elle de 1% (en partant du sol) ?
On trouve h = 80 m : voilà pourquoi on peut considérer que la pression dans un gaz est uniforme si les dimensions du récipient qui le contient restent modestes.
Fondamental : Atmosphère à gradient de température uniforme
On peut toujours écrire :
Avec :
Soit :
En intégrant :
Soit :
Ou encore :
La figure suivant montre les évolutions comparées de la pression pour les deux modèles étudiés.
Complément : L'effet de serre
Le système Terre - Soleil se trouvant en état d'équilibre thermodynamique, la Terre réémet toute l'énergie absorbée sous forme de rayonnement infrarouge au travers de l'atmosphère.
Ce rayonnement infrarouge est absorbé et réémis par certains constituants chimiques de l'atmosphère : essentiellement la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone.
Le transfert de la chaleur du sol ou des océans vers l'atmosphère implique globalement trois mécanismes :
Une émission infrarouge dans les grandes longueurs d'onde par le sol,
Un flux de chaleur sensible venant des océans, c'est-à-dire une élévation directe de la température de l'air par convection ou par conduction au dessus des mers,
Un flux de chaleur latente provenant aussi des océans, c'est-à-dire un transfert de chaleur provoquant le changement de phase de la vapeur d'eau à température constante.
Les couches les plus basses de l'atmosphère absorbent donc le rayonnement provenant du Soleil, celui réfléchi par le sol ainsi que le rayonnement infrarouge terrestre.
Il s'ensuit que la basse atmosphère est réchauffée et maintenue à une température en moyenne de 15 à 20°C dans les régions tempérées.
Ce phénomène porte le nom d'effet de serre.
Un excès de dioxyde de carbone dans la basse atmosphère peut alors entraîner une augmentation de son réchauffement par effet de serre.
Or, la combustion des combustibles fossiles tels que le pétrole, le charbon et leurs dérivés, représente une source importante de CO2 qui est directement rejeté dans l'atmosphère.
Ceci explique les inquiétudes de nombreux climatologues quant à l'avenir de l'équilibre thermique de la planète.
Avec l'altitude, la température de l'atmosphère baisse du fait de l'affaiblissement de l'effet de serre d'une part, et de la diminution de la densité – et donc de la pression – d'autre part.
Ceci explique la chute de la température de l'atmosphère jusqu'à la tropopause.
Simulation : Animations JAVA de JJ.Rousseau (Université du Mans)
Altimètre : cliquer ICI
