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Météorologie
élémentaire
La
pression
Chacun
de nous connaît le phénomène de pression atmosphérique à travers
ses effets sur l'aiguille du baromètre ainsi que l'effet de la
pression sur le volume des ballons.
Par
définition, la pression atmosphérique en un point déterminé est
donnée par le poids d'une colonne d'air de section unité
s'élevant verticalement jusqu'à la limite supérieure de
l'atmosphère. Physiquement parlant il s'agit d'une force
s'exerçant par unité de surface (r
= F/S).
La
masse de l'atmosphère, qui s'étend du sol à l'exosphère, soit sur
quelque 800 km d'épaisseur est évaluée à 5.1 x 1018
kg.
Par
définition, la pression en un point est donnée par le poids de la
colonne d'air qui le surmonte. Lorsqu'on s'élève, la hauteur de cette
colonne diminue, tout comme son poids, et la pression diminue en
conséquence.
La
loi de variation de la pression avec l'altitude suit grosso-modo une
fonction logarithmique.
On peut ainsi dire que pour une même différence
d'altitude, la différence de pression augmente à mesure que l'on
s'élève. Pratiquement on constate que si une différence de pression de
1 mbar au sol représente une différence d'altitude de 8.5 m, cette
distance sera de 25 m à 10 km d'altitude, de 100 m à 20 km d'altitude et
d'environ 100 km aux confins de l'atmosphère.
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Un
ballon météo de 2 m de diamètre au sol peut facilement enfler
jusqu'à présenter un diamètre de 30 m vers 10 km d'altitude.
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Par
ailleurs, la différence d'altitude entre la base et le sommet d'une couche
d'air est constante pour toutes les couches dont le rapport entre la
pression à la base et au sommet est identique. Ainsi, la différence
d'altitude entre les niveaux de pression de 1000 et de 500 mbar est
identique à celle entre les niveaux de 800 et 400 mbar (rapport de 2 dans
ce cas-ci).
Systèmes
de mesures CGS et MKS
Aujourd'hui
encore beaucoup de personnes utilisent l'ancien système de mesure
CGS dont l'unité de pression est le barye, dans lequel 1 bar
vaut 106 baryes. Dans le nouveau système
internationale (dit MKS) en vigueur
depuis les années 1960, le bar est remplacé par le pascal (Pa)
qui équivaut à 1 N/m2. De ce fait 1 mbar =
hectopascal (HPa).
Rappelons
qu'une pression de 1013.25 millibars équivaut à une pression de
1013.25 HPa ou 760 mm de hauteur de mercure à la température de
0°C (en effet 13.6 g/cm3 x 76 cm x 981 cm/sec2
= 1013250 dynes ou 1013.25 mbar). Cela correspond également à
une force de pression de 1.01x105 Newton/m2.
La physique aime abuser des unités de mesures !
Convertisseur
d'unités de l'ULg - Conversioni
NB.
Beaucoup de pays anglo-saxons utilisent encore leur ancien
système tel les "Imperial units" dans le Commonwealth
ou l"U.S. customary units" aux Etats-Unis dans lesquels
1013 mbar ou 1 atmosphère correspondent à... 14.7 psi (pounds per square inch ou
livres par pouce carré). Ces unités sont encore parfois
utilisées dans l'industrie et en science.
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On
peut ainsi déterminer que dans les basses couches de l'atmosphère (entre le sol et 4
km d'altitude), la pression diminue de 1.25 mbar en moyenne tous les
10 m (8.60 m au sol et 12.5 m à 4 km d'altitude).
En
appliquant ces lois, on découvre que la
pression atmosphérique chute d'environ 50% à 5 km d'altitude. On peut
donc considérer que 50% de la masse totale de l'atmosphère se trouve
en-dessous de 5 km d'altitude.
A
consulter:
Modèle
interactif de l'atmosphère (NASA-GRC)
Altitude
et pression atmosphérique (U.Sidney)
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A
gauche la loi de variation de la pression avec l'altitude
suit à peu de chose près une loi logarithmique. La
pression dimininue d'environ 1 mbar tous les 10 mètres. Les
valeur standards sont : 850 mb à 1500m d'altitude, 700 mb
à 3000m, 500 mb à 5500 m, 250 mb à 10400m, 200 mb à 12 km.
A droite la variation diurne de la pression observée en un lieu. Son
amplitude varie avec la latitude et est négligeable aux pôles. |
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Variations
de la pression
Au
cours d'un cycle de 24 heures la pression présente une double oscillation
: la pression augmente entre 4 et 10h (locale) du matin, elle diminue
entre 10 et 16h, augmente à nouveau entre 16 et 22h et diminue de nouveau
entre 22 et 4h.
Cette
amplitude de pression varie avec la latitude : elle est négligeable aux
pôles, inférieure à 1 mbar dans les régions tempérées tandis qu'elle
peut dépasser 4 mbar dans les régions équatoriales.
Il
existe des variations irrégulières de pression liées aux perturbations
atmosphériques. Elles jouent un rôle majeur aux latitudes supérieures
à 30° où elles masquent la variation diurne. Leur amplitude varie de
quelques millibars à plusieurs dizaines de millibars.
Le
champ de pression
Par
champ on entend un espace dans lequel les forces sont orientées (vecteurs)
indépendamment des masses qui s’y trouve. En pratique le champ de
pression se matérialise par la force du vent. Sur les cartes
météorologiques il est matérialisé par les lignes d'isobares
représentant les lignes d'égale pression. Les isobares sont tracés par
interpolation des pressions mesurées en différents points d'une région
et ramenés au niveau moyen de la mer; elle sont en général dessinées
à des intervalles de 2, 4 ou 5 mbar en fonction de l'échelle de la carte
synoptique.
La
distance entre deux isobares donne une représentation statique du
gradient de pression, en d'autres termes du taux de variation de la
pression en fonction de la distance. Le gradient horizontal de pression
s'exprime ordinairement en mbar/km ou en mbar par degré de latitude. Plus
les isobares sont serrés plus le gradient de pression sera élevé et
plus les vents souffleront forts dans cette région.
Le
tracé des isobares montre, en tout temps et en toute région, un certain
nombre de configurations types :
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La dépression ou zone de basses pressions (Low, symbole L ou D) :
parfois dénommée cyclone, il s'agit d'une région où la pression
décroît à mesure qu'on se rapproche du centre. Les isobares se
présentent sous forme plus ou moins circulaire. Une telle région peut
avoir un diamètre variant de quelques centaines de mètres à plusieurs
centaines de kilomètres.
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Le creux ou thalweg (Trough) : il s'agit du prolongement, dans une
direction déterminée, d'une zone de basses pressions; les isobares s'y
présentent sous forme de V à angle plus ou moins aigu.
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L'anticyclone ou zone de hautes pressions (High, symbole H ou A) :
il s'agit d'une région où la pression augmente à mesure qu'on se
rapproche du centre. Les isobares se présentent sous forme plus ou moins
circulaire, la pression la plus élevée se trouvant au centre. Les
dimensions des anticyclone sont du même ordre de grandeur que celles des
dépressions.
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La crête anticyclonique (Ridge) : il s'agit de la proéminence d'une zone
de hautes pressions s'étendant à l'intérieur d'une zone de pression
moins élevée. cette proéminence n'est jamais assez aiguë pour former
un V.
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Le col ou marais barométrique : il s'agit d'une région de
transition située entre deux anticyclones et deux dépressions. En raison
de la direction variée des vents, il s'agit souvent d'une région de
vents calmes.
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Jargon
aéronautique : le code Q
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Sachant
que la pression atmosphérique diminue avec l'altitude, à raison
de 10 m en moyenne dans les basses couches, les pilotes d'avion
mesurent leur altitude au moyen d'un altimètre qui n'est autre
qu'un baromètre anéroïde dont les indications de pressions sont
converties en altitude.
On
comprendra de suite qu'il peut exister plusieurs références (par
rapport au niveau de la mer ou par rapport au sol) et autant de
risques d'erreurs. Comment dans ce cas un pilote peut-il
"caler son altimètre" comme l'on dit afin de se
coordonner avec les contrôleurs en mer (sur les portes-avions) ou
ceux travaillant au sol (dans les tours de contrôle), chacun
disposant d'une valeur de pression différente ?
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Les
pilotes font appel au code Q qui définit clairement le niveau de
pression barométrique de référence, le niveau "zéro"
qui permet de caler leur altimètre de bord :
QFE
: pression barométrique mesurée au niveau de la piste
QNH
: pression barométrique corrigée des erreurs instrumentales, de
température et de gravité et ramené au niveau moyen de la mer
suivant les caractéristiques de l'atmosphère standard (variation
de 6.5°/1000 m).
QNE
: C'est l'altitude correspondant en atmosphère standard à la
pression barométrique actuelle. Il est utilisé pour déterminer
le niveau de vol (flight level).
QNH
régional : c'est le QNH le plus bas observé dans la région
considérée. Il est utilisé, pour des raisons de sécurité
évidentes, par les centres de contrôle régionaux. Sachant que
l'altitude peut varier de quelque 10 m par millibar, les pilotes
sont obligés de régler leur altimètre avant l'atterrissage, et
de comparer sa valeur avec le QNH réel au risque de trouver la
piste plus tôt que prévu...
De
simples règles permettent de passer d'un système de référence
à l'autre. Elles doivent également tenir compte des erreurs
instrumentales et de la température réelle entre les points de
départ et d'arrivée. |
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La
température
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