L’air

L'atmosphère est une mince couche gazeuse qui entoure la Terre. Elle est constituée d’un mélange de gaz. On distingue 4 couches différentes dans l'atmosphère: la troposphère, la stratosphère, la mésosphère et la thermosphère. Seule la troposphère nous intéresse dans ce cours. Cette couche d'environ 10 kilomètres d'épaisseur est le lieu de tous les phénomènes météorologiques.

L’atmosphère

le “ciel” est noir

l’atmosphère est bleue

La pression atmosphérique est exercée par l'air qui nous entoure. L'air est formé de très nombreux petits "grains" invisibles à l'oeil nu qu'on appelle molécules. L'air sec est un mélange homogène de  différents gaz. La composition (% du volume) de l’air sec non pollué est la suivante:

Autre gaz: argon, dioxyde de carbone,..1 %

Diazote 78 %

Dioxygène 21 %

Pour simplifier on peut dire que l'air sec est composé de 80 % d'azote et de 20 % d'oxygène soit 4/5 et 1/5. L'air contient aussi de la vapeur d'eau en quantité variable (entre 0 et 3 %)

Prenons un verre "vide" posé sur une table: il est en réalité plein d'air.

Il faut imaginer les molécules d'air comme de minuscules boules de billard en constante agitation. Elles s'entrechoquent, ricochent et occupent tout l’espace disponible. La pression atmosphérique est causée par l'addition de ces milliards de petits chocs à la surface des objets.

L’air est compressible

Contrairement aux fluides liquides, on peut facilement comprimer un fluide gazeux. On dit qu'un gaz est compressible.

L'air est enfermé dans un cylindre.

On réduit le volume à l'aide d'un piston.

Volume normal

Pression normale

La quantité de matière n'a pas changé, mais le nombre de chocs a augmenté

Petit volume

Grande pression

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Le vent

Le vent est un courant d'air. Une masse d'air comprimée aura tendance (si elle n'est pas enfermée) à se déplacer vers un endroit où il y a de la place (la pression y est plus faible).

Le vent ne souffle pas n'importe comment. Il va toujours d'une zone de haute pression vers une zone de basse pression.

H

B

= haute pression

= basse pression

H

vent

B

Il est invisible mais on remarque ses effets: l'air est bien formé de matière.

La direction du vent

Lorsque la bise souffle en Suisse, c'est qu'il y a une zone de haute pression H (air comprimé) au nord de l'Europe et une zone de basse pression B au sud de l'Europe: l’air (froid) se déplace donc du nord vers le sud.

L’air comprimé est une source d’énergie

L'air comprimé peut donner de l'énergie lorsqu'il se détend. Nous expérimentons une voiture et une fusée propulsées à l'air comprimé.

ballon de baudruche

sortie de l’air

Le ventilateur et l'éventail produisent un courant d'air à partir d'énergie électrique ou musculaire.

courant d'air

B

H

Et dans l'atmosphère,

quel moteur est responsable de la production des vents?

Air chaud et air froid

L'air chauffé se dilate, devient moins dense et s'élève (basse pression). Il est remplacé par de l'air plus froid qui vient des côtés.

L'air qui se refroidit se contracte, devient plus dense et descend. Il pèse sur l'air qui est en dessous et le chasse (haute pression).

L'air chaud peut contenir plus de vapeur d'eau que l'air froid. Lorsque de l'air chaud et humide se refroidit, il ne peut plus contenir toute la vapeur d'eau et s'en sépare sous la forme de pluie.

La pression et l’altitude

Les molécules d'air «s'entassent» sous l'effet de l'attraction terrestre le plus «bas» possible: dense au bord de la mer, l'air se raréfie avec l'altitude. La pression atmosphérique diminue avec l'altitude. La pression atmosphérique est plus grande au bord de la mer qu'au sommet d'une montagne. Au bord de la mer la colonne d’air qui est au-dessus de nous est plus haute: elle exerce donc sur nous une plus grande pression.

Cette vision stratifiée de l'atmosphère n'explique pas l'existence des vents, ces déplacements d'air plus ou moins horizontaux. Nous avons oublié un acteur très important: le Soleil. L'énergie du Soleil n'est pas distribuée équitablement sur notre planète. L'énergie solaire reçue par le sol terrestre diminue lorsque l'on s'éloigne de l'équateur pour se rapprocher des pôles. 2 raisons à cela:

1.

2.

Les rayons traversent une couche d'atmosphère de plus en plus épaisse: ils sont absorbés.

L’énergie des rayons se répartit sur une plus grande surface.

Comment expliquer la présence de la neige sur un pré et pas sur l’autre?  Un indice: La photo est prise en direction de l’ouest.

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L’ensoleillement

haute pression

basse pression

molécules d'air

Les instruments de musique

Mesure de la pression atmosphérique

Il existe différentes unités pour mesurer la pression:

Les unités de pression

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le pascal (Pa) est égal à une force de 1 newton (N) répartie sur une surface de

1 m2. C'est l'unité légale de pression. D'autres unités sont aussi utilisées:

le bar (bar)1 bar = 100 000 Pa

le millibar (mbar)1 mbar = 100 Pa

l'atmosphère (atm)1 atm = 101 325 Pa

le millimètre de mercure (mmHg)1 mmHg = 133,3 Pa

le gramme par centimètre carré (g/cm2)1 g/cm2 = 98,0665 Pa

Le baromètre mesure la pression atmosphérique.

Le manomètre mesure la pression d'un

fluide dans un tuyau, une bonbonne de gaz,...

Le baromètre à mercure

Le baromètre anéroïde

Le baromètre à mercure a aussi beaucoup d’inconvénients:

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Il est lourd et encombrant. Le mercure pèse 13,6 fois plus que l’eau.

Il est en verre, donc fragile.

Il permet une lecture instantanée mais pas une mesure en continu des valeurs de pression.

Le mercure est toxique. Il attaque le système nerveux.

Le baromètre anéroïde permet de mesurer la pression en continu. Avant le traitement  de données numériques par un ordinateur, on utilisait le tracé d’un crayon sur un papier spécial qu’on changeait chaque semaine.

vide

Evangeliste Toricelli (1608-1647)

Peinture de Lorenzo Lippi

Evangeliste Toricelli invente le baromètre à mercure en 1643. Il remplit un tube de verre avec du mercure, un métal liquide à température ambiante. Il bouche le tube avec le doigt, le retourne et le plonge dans un bac rempli de mercure. Il constate que le haut du tube fermé se vide en partie, et que le niveau de mercure se stabilise 76 centimètres (ou 760 mm) au dessus du niveau de mercure dans le bac.

C’est la première expérience qui prouve l’existence du vide.

76 cm

Le baromètre à mercure est donc très facile à réaliser: La pression atmosphérique est exactement compensée par la pression exercée par la colonne de mercure.

Lorsque la pression atmosphérique augmente, elle repousse la colonne de mercure vers le haut du tube. Il suffit de placer une règle graduée à côté du tube et on mesure la pression de l’atmosphère. L’unité utilisée est donc le millimètre de mercure.

Pa = Pl

tube ouvert

tube fermé

Il existe différents types de baromètres.

Mécanisme à ressort permettant de faire tourner le tambour

boîte métallique sur laquelle s’éxerce la pression

Le principe du baromètre anéroïde est assez simple. Un boîte métallique en forme d’accordéon se déforme dans le sens de la hauteur. Cette déformation se transmet à un bras muni d’un traceur. Le papier défile grâce à la rotation d’un cylindre.

Notre baromètre anéroïde est un peu plus sophistiqué. Quelles améliorations ont été apportées ?

Une sonde meteo accrochée à un ballon d’hydrogène s’élève dans l’atmosphère. Elle envoie les mesures de pression, de température et d’humidité de l’air.

On peut suivre en temps réel sur un écran les mesures envoyées par la sonde.