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Les couches de l’atmosphère et la tropopause

Météorologie et aérologie · 7 min

Avant chaque vol, le pilote se pose la même question : le temps permet-il de partir ? Un brouillard qui se forme sur la piste, un orage sur la route, du givre sur les ailes, un vent de travers trop fort : c’est la météo qui décide. Un pilote qui entre par erreur dans un nuage, sans savoir voler aux instruments, peut perdre le contrôle de son avion en quelques minutes. C’est pourquoi la météorologie ouvre le programme du BIA.

Tout cela se joue dans l’air qui entoure la Terre : l’atmosphère. On commence donc par elle : jusqu’où elle monte, comment elle s’organise en couches, où se forment les nuages et de quoi elle est faite. Les leçons suivantes regardent ce qui change dans cet air (sa température, sa pression, son humidité), parce que c’est de là que viennent le vent, les nuages et les dangers que le pilote apprend à éviter.

Une couche très fine

Première surprise : vue de l’espace, l’atmosphère n’est qu’un liseré bleu au bord de la Terre.

Un quart de la Terre dessiné à l’échelle : pour un rayon de 6 400 km, l’atmosphère, épaisse de 100 km jusqu’à la limite de Kármán, n’est qu’un trait bleu clair au bord du disque
Un quart de la Terre dessiné à l’échelle : pour un rayon de 6 400 km, l’atmosphère, épaisse de 100 km jusqu’à la limite de Kármán, n’est qu’un trait bleu clair au bord du disque

L’épaisseur de l’atmosphère est fixée par convention à la limite de Karman, à 100 km d’altitude. Au-delà, on considère qu’on est dans l’espace.

Comparé au rayon terrestre de 6 400 km, c’est presque rien : l’atmosphère est une soixantaine de fois plus mince que le rayon de la Terre (6 400 ÷ 100 = 64). Sur le schéma, elle n’est qu’un trait au bord du disque.

Et cette mince couche est elle-même très inégalement remplie : les 30 premiers kilomètres concentrent 99 % de la masse totale de l’atmosphère. Tout le reste est du vide presque parfait.

Les couches de l’atmosphère

Quand on s’élève, l’air ne change pas de façon régulière : c’est l’évolution de sa température qui découpe l’atmosphère en couches, chacune avec son nom. Les avions volent dans les deux plus basses, et toute la météo tient dans la première.

Coupe verticale de l’atmosphère avec le profil de température en rouge : +15 °C au sol, puis la troposphère jusqu’à la tropopause vers 11 km et −56 °C, la stratosphère et sa couche d’ozone jusqu’à la stratopause vers 50 km et 0 °C, la mésosphère jusqu’à la mésopause vers 85 km et −90 °C, puis la thermosphère, que traverse la limite de Kármán à 100 km. Les nuages, l’Everest et l’avion de ligne sont dans la troposphère, le ballon-sonde dans la stratosphère
Coupe verticale de l’atmosphère avec le profil de température en rouge : +15 °C au sol, puis la troposphère jusqu’à la tropopause vers 11 km et −56 °C, la stratosphère et sa couche d’ozone jusqu’à la stratopause vers 50 km et 0 °C, la mésosphère jusqu’à la mésopause vers 85 km et −90 °C, puis la thermosphère, que traverse la limite de Kármán à 100 km. Les nuages, l’Everest et l’avion de ligne sont dans la troposphère, le ballon-sonde dans la stratosphère
L’atmosphère vue par la tranche depuis la Station spatiale internationale, au coucher du soleil sur l’océan Indien : juste au-dessus de la Terre, une mince couche orange et jaune, la troposphère, où se trouvent les nuages ; au-dessus, une bande plus claire, la stratosphère, puis un bleu de plus en plus sombre jusqu’au noir de l’espace. Photo : NASA, domaine public
L’atmosphère vue par la tranche depuis la Station spatiale internationale, au coucher du soleil sur l’océan Indien : juste au-dessus de la Terre, une mince couche orange et jaune, la troposphère, où se trouvent les nuages ; au-dessus, une bande plus claire, la stratosphère, puis un bleu de plus en plus sombre jusqu’au noir de l’espace. Photo : NASA, domaine public

Sous l’exosphère, la frange extérieure où l’air se dilue peu à peu dans l’espace, on distingue quatre couches. De haut en bas :

Observe bien le trait rouge du schéma : la température ne descend pas continûment. Elle baisse dans la troposphère (l’air y est chauffé par le bas, au contact du sol que le Soleil réchauffe : plus on s’en éloigne, plus il fait froid ; et l’air qui s’élève se détend, ce qui le refroidit encore), remonte dans la stratosphère (l’ozone absorbe le rayonnement solaire), rebaisse dans la mésosphère, puis remonte dans la thermosphère. Les « pauses » (tropopause, stratopause, mésopause) sont précisément les points où la température change de sens.

Les avions de ligne croisent entre 9 et 12 km, près de la tropopause : dans le haut de la troposphère, ou juste au-dessus, dans la basse stratosphère, les jours où la tropopause est basse. Un ballon-sonde, lui, traverse toute la troposphère et monte bien plus haut, souvent au-delà de 30 km : c’est pourquoi le schéma le place dans la stratosphère.

La tropopause

De toutes ces limites, celle qui compte le plus pour l’aviation est la première : elle coiffe la troposphère, donc toute la météo, et c’est autour d’elle que croisent les avions de ligne.

Altitude de la tropopause de l’équateur au pôle : vers 17 km et −70 °C à l’équateur, 11 km et −56 °C à nos latitudes, 8 km et −45 °C au pôle ; la troposphère est en dessous, la stratosphère au-dessus
Altitude de la tropopause de l’équateur au pôle : vers 17 km et −70 °C à l’équateur, 11 km et −56 °C à nos latitudes, 8 km et −45 °C au pôle ; la troposphère est en dessous, la stratosphère au-dessus

La tropopause est la limite entre la troposphère et la stratosphère. En atmosphère standard, à nos latitudes, elle se situe à 11 km (environ 36 000 ft) pour une température de −56,5 °C, arrondie à −56 °C dans les annales et sur les schémas ci-dessus.

Mais le schéma montre que 11 km est une moyenne des régions tempérées : la tropopause est haute et très froide à l’équateur (vers 17 km et −70 °C), basse et moins froide au pôle (vers 8 km et −45 °C). Elle varie aussi avec la saison : en été, la tropopause est plus haute.

La composition de l’air

Reste à savoir de quoi est fait cet air que l’on respire et dans lequel volent les avions. La réponse surprend souvent.

L’air atmosphérique est un mélange d’air sec, de vapeur d’eau et de poussières. L’air sec en forme l’essentiel, et il se décompose ainsi :

S’y ajoutent des traces d’hélium, de dioxyde de carbone et de dihydrogène.

La vapeur d’eau, elle, est en quantité très variable : de presque rien à quelques pour cent. C’est pourtant elle qui fait toute la météo : nuages, pluie, brouillard, givrage.

L’essentiel