La température de l'air

La température de l'air est la caractéristique principale du temps, celle que nous ressentons le plus directement. Chaud - froid; frais - lourd; caniculaire - glacial: c'est ainsi que nous ressentons la température environnante.

La température en altitude

Toute la matière consiste en de petites particules appelées molécules. Cela vaut pour l'air, la terre et tout ce qui nous entoure. L'état d'agrégation d'un matériau - solide, liquide ou gazeux - dépend de la distance avec laquelle sont reliées ces molécules entre elles. Prenez l'exemple de l'eau. L'eau gèle à 0°C, et devient donc solide. Les molécules se rapprochent et se connectent entre elles. Entre une température de 0°C (point de fusion) et allant jusqu'à 100°C (point d'ébullition), l'eau est liquide. Les molécules d'eau sont en quelque sorte un regroupement lâche et se déplacent les unes relativement aux autres. À partir du point d'ébullition, l'eau s'évapore et devient gazeuse. Les molécules sont désormais très éloignée les unes des autres et n'ont quasiment plus de cohésion entre elles. Elles se déplacent plus rapidement que dans l'état solide ou liquide. L'état gazeux nécessite donc plus d'énergie. On l'appelle aussi énergie thermique, laquelle est mesurée par la température.

Comme mentionné auparavant, ce changement d'état du matériau change aussi sa densité et dépend de la fermeté avec laquelle les molécules se lient et restent ensemble. Les corps solides ont donc une plus grande densité les corps gazeux, car leurs molécules sont liées plus fermement. Dans l'atmosphère, la majorité des molécules sont de l'air. L'air protège la Terre du Soleil et de l'espace.
Sur les figures ci-contre, vous pouvez voir comment le rayonnement solaire passe à travers l'atmosphère et atteint la surface de la Terre. Les molécules de la couche d'ozone filtrent une partie du rayonnement solaire, laquelle n'atteindra donc pas la surface de la Terre. Cependant, la densité de l'air étant faible, la majorité du rayonnement atteint quand même le sol.
A la surface de la Terre, le rayonnement solaire est, pour une bonne partie absorbé par le sol, lequel se réchauffe. L'air au niveau du sol est ainsi réchauffé par le ce dernier. Une plus petite part du rayonnement solaire est réfléchie en retour dans l'atmosphère.

Étant donné que les molécules d'air s'éloignent les unes des autres lorsque l'air se réchauffe, ce dernier s'étend et perd en densité; l'air réchauffé s'élève. La pression au sol étant plus élevée que celle dans l'atmosphère, l'air ascendant peu s'étendre encore plus avec l'altitude. Durant cette expansion, de l'énergie thermique est perdue et l'air chaud ascendant se refroidit. Il continue difficilement à se réchauffer à cause de la distance croissante par rapport au sol. Ainsi, le rayonnement infrarouge réfléchi contient moins d'énergie et ne réchauffe pas l'air autant que le rayonnement entrant. De plus, l'air contient moins de molécules par volume qui pourraient rencontrer le rayonnement solaire, ceci étant dû à l'expansion de l'air.
Par conséquent, de plus faibles températures prédominent dans les plus hautes couches de l'air (voir le météogramme sur la droite).
Si le temps est nuageux, les molécules d'eau dans le nuage absorbent une grande partie du rayonnement solaire. Et seulement une petite partie de ce dernier atteint le sol. Il fait ainsi souvent frais sous les nuages, même avec de fort rayonnement solaires.

Élévation de l'air par température élevée

Si le rayonnement solaire sont très puissantes, l'air se réchauffe plus rapidement au niveau du sol et s'élève. Il déplace l'air froid des couches supérieures et s'étend en même temps, jusqu'à ce que la pression de l'air diminue avec l'altitude. L'élévation de la température de l'air et le réchauffement des hautes couches de l'atmosphère durant la journée est présenté dans une météogramme animé sur la droite.

Si de plus en plus d'air se réchauffe et s'élève, une sorte de "bulle d'air" se développe, laquelle peut s'étendre sur toute la partie supérieure de la troposphère (plus basse couche de l'atmosphère). C'est l'une des raisons pour lesquelles la troposphère est plus épaisse dans les tropiques que dans les régions polaires.

Inversion de température

Une inversion est une situation où la température de l'air dans les couches supérieures de l'atmosphère est plus chaude que dans les couches inférieures.
Ceci est causé par le processus de réchauffement. L'air chaud s'élève puis demeure au-dessus de l'air froid. Pour qu'une inversion se produise, soit quelque chose doit empêcher l'air chauffé de se refroidir lorsqu'il se trouve dans une couche supérieure, soit quelque chose doit refroidit l'air en-dessous plus rapidement que l'air en-dessus. Les causes d'une telle inversion peuvent être les suivantes :

• Inversion par subsidence: Flux d'air froide vers les bas-fonds en provenance des alentours (par exemple, montagnes, glaciers) : L'air froid déplace et élève l'air plus chaud. Un afflux continu d'air froid maintient les températures au sol plus basses qu'au-dessus.
• Inversion par advection (frontale): Une masse d'air plus chaude se déplaçant au-dessus d'une masse plus froide. Cette stratification peut être moins stable et peut se rompre, soit par une convection extrême surmontant la calotte, soit par l'effet de soulèvement d'un front ou d'une chaîne de montagnes, la libération soudaine de l'énergie convective accumulée - comme l'éclatement d'un ballon - pouvant donner lieu à de violents orages.
• Faible rayonnement solaire. Cette situation se produit principalement en hiver, lorsque le sol s'est refroidi pendant un certain temps et que l'air proche du sol ne peut plus se réchauffer, ou encore sous une fine couche de nuages basses, qui empêche la lumière du soleil d'atteindre le sol et de le réchauffer.

Des exemples d'inversion dues à un flux d'air froid peuvent être observés sur les météogrammes (à droite): Le flux d'air froid venant des montagnes à proximité crée un coussin d'air froid sur environ 2000 mètres de haut (ligne brune) au-dessus du fond de la vallée à 970 mètres (barre verte).