La température

L'atmosphère terrestre est un système thermodynamique minutieusement ajusté et qui s'autogère depuis quelques milliards d'années. L'énergie qui produit et entretient les phénomènes atmosphériques est issue du Soleil. Cette énergie est notamment transmise sous forme électromagnétique et essentiellement sous forme de chaleur.

Le Soleil constitue notre unique source d'énergie sans laquelle la majorité des organismes vivant sur Terre seraient voués à une morte certaine en l'espace de quelques années. Seuls subsisteraient les organismes les plus simples et extrêmophiles.

L'énergie rayonnée par les autres corps célestes est négligeable; toutes les planètes et leurs satellites ne font que réfléchir la lumière qu'ils reçoivent du Soleil. Seul Jupiter et dans une moindre mesure Saturne émettent plus d'énergie qu'ils n'en reçoivent tandis que Vénus, couverte par une épaisse atmosphère toxique réfléchit le plus de lumière. Consultez le Compendium du système solaire pour en savoir plus.

Le transfert de chaleur de l'intérieur de la Terre vers la surface est pratiquement nul (exception faites sur les points chauds volcaniques), les roches basaltiques constituant l'écorce terrestre étant mauvaises conductrices de la chaleur. Le seul rayonnement énergétique provient donc du Soleil. Mais étant donné les dimensions de la Terre et sa distance au Soleil, nous ne recevons qu'un demi-milliardième de toute l'énergie qu'il rayonne dans l'espace.

A consulter: Conversion d'unités

L'orbite de la Terre

Plusieurs paramètres d'ordre astronomique et climatique affectent la température régnant sur Terre.

Du point de vue météorologique deux mouvements de la Terre sont importants : sa rotation autour de son axe et sa révolution autour du Soleil. Sa rotation autour de son axe s'effectue en 24 heures. Il en découle la succession des jours et des nuits. Sa révolution autour du Soleil s'effectue en une année (365.25 jours) à une vitesse d'environ 30 km/s.

1. Equinoxe de printemps : 2. Solstice d'été :  3. Equinoxe d'automne : 4. Solstice d'hiver : 5. Aphélie : 6. Périhélie : 21 mars 21 juin 23 septembre 22 décembre 1 juillet 1 janvier

L'orbite de la Terre se présente sous forme d'une ellipse très faiblement excentrique (0.017), et donc très proche de la forme d'un cercle. Au périhélie (au point 6) la Terre se trouve à 147 millions de km du Soleil. Elle se trouve à 152 millions de km à l'aphélie (au point 5), la distance moyenne étant fixée à 149.6 millions de km. En raison de cette excentricité la Terre ne parcourt pas les quatre époques de l'année à la même vitesse, en application de la loi des aires de Kepler.

Notre planète se caractérise par ses saisons (quatre sous les latitudes tempérées et deux sous les Tropiques), phénomène météorologique induit par l'inclinaison de son axe de rotation, aujourd'hui incliné de 23°27' par rapport à la normale. Cette inclinaison relativement constante provoque une répartition inégale de la chaleur. Ainsi dans l'hémisphère nord, l'hiver dure trois jours de moins que l'été et est moins rigoureux que celui de l’hémisphère sud qui se produit six moins plus tard. L’été est également moins torride dans l’hémisphère nord que dans l’hémisphère sud.

Aux équinoxes la durée du jour est égale à la durée de la nuit (12 heures) quelle que soit la latitude. Il en est de même à l'équateur quelle que soit l'époque de l'année.

C'est sous les Tropiques du Cancer et du Capricorne (à 23°26 de latitude Nord et Sud) que le Soleil peut être observé au zénith et ceci un seul jour par an, le jour du solstice d'été, le 21 ou 22 juin dans l'hémisphère nord ou le jour du solstice d'hiver, le 21 ou 22 décembre dans l'hémisphère sud. Lorsqu'il se trouve au zénith à 23°26' de latitude dans une hémisphère, dans l'autre hémisphère, la partie éloignée de plus de 90°, soit au-delà de 66°33' de latitude est plongée dans l'obscurité, c'est la nuit polaire qui dure six mois aux pôles. Les latitudes de 66°33 N et S sont respectivement dénommées "Cercle Arctique" et "Cercle Antarctique".

A voir : Earth, la situation météo en 3D calculée toutes les 3 heures

Consultez le blog pour la courte revue de ce projet créé par C.Beccario

Variation saisonnière de la durée des jours et des nuits Ces positions zénithales du Soleil sont valables pour les latitudes moyennes dans l'hémisphère nord.

Le rayonnement

Ainsi que nous l'avons expliqué dans le dossier consacré à l'astrophysique solaire, l'énergie calorifique peut se transmettre de différentes manières :

- Par conduction : le transfert de chaleur est assuré par l'agitation des molécules et s'effectue de proche en proche. Cependant la conductibilité de l'air est très faible et nous savons qu'en électricité il agit comme isolant.

- Par convection : le transfert de chaleur s'établit par des mouvements de masse du milieu dans lequel ce transfert s'effectue. Ainsi au contact d'une source de chaleur, l'air s'élève.

- Par rayonnement : le transfert de chaleur s'effectue par les ondes électromagnétiques. C'est le seul mode de transfert qui ne nécessite aucun milieu matériel. C'est notamment le cas dans le vide de l'espace. Ainsi si on place un objet devant un foyer, seule la face avant est réchauffée.

Le Soleil émet principalement dans un spectre compris entre 200-3000 nm avec une intensité maximale vers 500 nm dans la partie visible du spectre (lumière jaune-verte).

Selon la loi de Wien, λ_max T = Cte = 0.2884 cm/K, qui est plus claire sous la forme suivante :

T (K) = 0.002884 / λ(m)

La longueur d'onde correspondant au maximum d'énergie est inversement proportionnelle à la température du corps émetteur. rappelons qu'il faut soustraire 273.15 pour obtenir la température en °C.

Cette formule s'applique tant au rayonnement du Soleil (pour λ_max = 5.0x10^-7 m, T_eff = 5773 K ou 5500°C) qu'au rayonnement infrarouge de notre peau par exemple (pour λ_max = 9.5x10^-6 m, T_peau = 30.4°C).

Conformément à la courbe de Planck (distribution de l'énergie rayonnée par le corps noir), le maximum d'énergie se déplace vers les petites longueurs d'ondes lorsque la température augmente.

L'application de ces lois aux observations des rayonnements solaire et terrestre amène aux conclusions suivantes :

- Le Soleil rayonne comme un corps noir à une température effective d'environ 5773 K (5500°C) mais il n'est pas isolé du monde extérieur

- L'énergie rayonnée par le Soleil dans le spectre visible est égale à la moitié de l'énergie totale rayonnée

- La Terre rayonne comme un corps noir porté à 300 K (27°C). Son rayonnement est proche de l'infrarouge, compris entre 4 et 50 microns, le maximum étant observé vers 10 microns (10000 nm).

Le Soleil et la Terre n'émettent donc pas tout à fait dans le même spectre et on peut dire que le Soleil émet un rayonnement de courte longueur d'onde tandis que la Terre émet un rayonnement de grande longueur d'onde.

Enfin, précisons que la quantité totale d'énergie reçue en un jour et en un lieu déterminé dépend à la fois de l'intensité du rayonnement (fonction de la distance au Soleil et de l'inclinaison des rayons) et de la durée d'insolation.

Bilan thermique de l'atmosphère

La thermodynamique nous apprend que l'intensité du rayonnement est proportionnelle à la quatrième puissance de la température absolue du corps rayonnant. Ceci signifie que plus le Soleil réchauffe la surface de la Terre, plus grande sera l'énergie renvoyée dans l'espace par le rayonnement terrestre. Puisque la température moyenne à la surface de la Terre est pratiquement constante, la quantité d'énergie perdue doit équilibrer la quantité d'énergie reçue du Soleil. En raison de l'inertie thermique du système cela s'établit sur une longue période et sur l'ensemble de la Terre.

Le mécanisme exact qui maintient un équilibre entre le rayonnement terrestre, celui de l'atmosphère, et le rayonnement solaire est extrêmement complexe; ceci est dû à des mécanismes secondaires d'absorption sélective des rayonnements solaire et terrestre par différents gaz atmosphériques qu'il est nécessaire d'étudier à chaque longueur d'onde.

Nous pouvons toutefois décrire sommairement ces processus en parlant du bilan global de la Terre. Celui-ci n'est jamais nul à un instant donné. Toutefois, l'énergie reçue est, en moyenne, égale à l'énergie émise pendant une année entière, considérant la Terre comme un tout.

Le problème du bilan calorifique de la Terre et de l'atmosphère peut-être divisé en trois parties :

- Rayonnement solaire, réflexion et absorption dans l'atmosphère terrestre et à la surface de la Terre

- Rayonnement de la Terre et de l'atmosphère et leur interaction

- Les autres processus physiques.

A gauche, le bilan global de la Terre. Concernant les rayonnements de courtes longueurs d'ondes, 47% du rayonnement solaire atteint la surface terrestre, soit directement (26%), soit après réflexion (21%). 19% de la lumière solaire est absorbée par l'atmosphère et 34% de la lumière incidente est réfléchie dans l'espace : 23% par la couche nuageuse, 3% par réflexion directe sur le sol, 7% par les composés de l'atmosphère et encore 1% après réflexion secondaire par le sol. Concernant le rayonnement de grandes longueurs d'ondes, 66% s'échappent dans l'atmosphère tandis que le sol et l'atmosphère en absorbent également une grande partie. Enfin l'atmosphère absorbe également de l'eau par évaporation et condensation. Le bilan est nul si l'on considère l'espace, l'atmosphère et la Terre séparément. A droite, les courbes d'absorption et de distribution du rayonnement à la surface de la Terre.

La température en un lieu

Plusieurs facteurs influencent la température qui règne en un lieu : la latitude, la nature du sol, l'altitude, les vents dominants, la couverture nuageuse ainsi que la couverture de la surface du sol.

L'influence de la nature du sol et spécialement la différence entre la terre et l'eau est très importante. En effet, le sol présente une faible conductivité et seule la couche superficielle est réchauffée tandis que dans le cas de l'eau, la couche réchauffée est beaucoup plus épaisse du fait de sa conductibilité plus importante, des mouvements verticaux et horizontaux des courants chauds et froids, de sa plus grande capacité calorifique et de sa transparence. En conséquence, les océans constituent un réservoir calorifique et réduisent fortement l'amplitude des variations de température. Ils sont également une source d'humidité sur laquelle nous reviendrons.

La température subit également une variation annuelle qui suit la variation du rayonnement incident et fonction de la position géographique par rapport aux océans et aux continents.

D'une manière nettement plus sensible nous observons également une variation diurne de la température de l'air résultant du rayonnement solaire et du rayonnement du sol. Le rayonnement solaire est maximum à midi locale mais étant donné que le rayonnement du sol culmine vers 14h locale, la température moyenne de l'air présente son maximum environ 2 heures après la culmination du Soleil.

La température minimale s'observe au moment où l'énergie solaire devient inférieure à l'énergie terrestre. Ce phénomène s'observe environ 1 heure après le lever du Soleil.

Il est à noter que par ciel couvert, le rayonnement infrarouge de la Terre est en partie compensé par le rayonnement infrarouge de la base des nuages. Ceci explique la diminution nocturne plus lente de la température par ciel couvert que par ciel serein. D'autre part, les nuages réfléchissent une partie de l'énergie solaire incidente et entraînent une augmentation plus lente de la température au cours de la journée.

Enfin, en 2001 les climatologues ont mis en évidence l'effet des traînées de condensation des avions sur la température. Ce n'est pas surprenant quand on sait qu'elles couvrent parfois 75% du ciel ! On en reparlera lorsque nous discuterons des contrails.

Records de froid

L'endroit le plus froid de la planète se situe en Antarctique. Plusieurs records ont été battus au fil des décennies. Le 10 août 2010, le centre NSIDC enregistra une température record de -93.2°C par 82.86°S, 135°O. Pour y parvenir, les scientifiques ont analysé les données provenant de plusieurs satellites de télédétection, dont l'instrument MODIS embarqué sur le satellite Aqua de la NASA et TIRS6 du satellite Landsat 8. Le précédent record était détenu par la station de recherche Vostok avec une température de -89.3°C le 21 juillet 1983.

A lire : La tempête de neige Hercules s'abat sur New York (sur le blog, 2014)

Mais au cours des hivers polaires, un nouveau record de froid fut enregistré dans l'Inlandsis Est-Antarctique, près de la station Vostok. Dans environ 100 sites, les chercheurs ont observé des températures minimales en surface de ~-98°C durant les hivers 2004-2016 ! Selon les chercheurs, "Des comparaisons entre les températures de la neige en surface et les températures de l'air près de la surface des stations météorologiques proches indiquent que les surfaces de ~-98°C impliquent des températures de l'air de ~-94 ±4°C à 2 m de hauteur. Les données de la bande thermique Landsat 8 et les données d'élévation montrent des gradients près des dépressions topographiques d'environ 6°C/km horizontalement et d'environ 4°C/m verticalement. Ces températures ultra-basses sont en corrélation avec une forte circulation du vortex polaire". La découverte fit l'objet d'un article publié dans la revue "Geophysical Research Letters" en 2020.

Mais en parallèle, on observe également des records de réchauffement au pôle Sud depuis 1990 (cf. K.R. Clem, et al., 2020) et des redoux inhabituellement élevés (jusqu'à 18.3°C le 6 février 2020 à mi-journée, sur la base Esperanza en Antarctique argentine).

Variation avec l'altitude

Le bilan calorifique montre que l'atmosphère est réchauffée par la surface de la Terre; le rayonnement solaire n'est absorbé que par les couches de haute altitude et par la surface de la Terre. En revanche, le rayonnement terrestre est absorbé par la vapeur d'eau et l'anhydride carbonique contenus dans l'atmosphère. Ce rayonnement est donc absorbé par les basses couches; ces dernières rayonnent à leur tour dans toutes les directions. Les couches immédiatement supérieures ne sont donc réchauffées que par une partie de l'énergie rayonnée par les premières. En conséquence, la température diminue donc normalement avec l'altitude dans la troposphère.

Toutefois, dans certains cas, on peut observer une augmentation de la température avec l'altitude; c'est le phénomène d'inversion.

Les inversions types sont les suivantes :

- Inversion au sol : provoquée par un refroidissement nocturne important de la surface du sol

- Inversion frontale : due au passage d'un front

- Inversion de subsidence : due à la présence d'un anticyclone

- Inversion de la tropopause : marquant le passage de la troposphère à la stratosphère.

A l'inverse, la température augmente dans les régions situées sous le niveau de la mer comme dans la région de la mer Morte en Israël ou la Vallée de la Mort aux Etats-Unis. Comment expliquer ce phénomène ?

A lire : Death Valley's Brutal 130°F / 54.4°C, maybe a record, Time, 17 Aug 2020

A gauche, le bassin de Badwater au coeur de la Vallée de la Mort au Névada vu depuis le pic de Dantes (1669 m). Au centre, un crâne de bovin sur un lac asséché de la Vallée de la Mort. A droite, une température de 128°F soit 53.3°C relevée le 30 juin 2013 à Furnace Creek. Documents William Warby, Getty Images et David McNew/Getty Images/AFP.

Dans la Vallée de la Mort (Death Valley) située dans le parc national du même nom au Névada, on a par exemple relevé dans le bassin de Badwater situé à 86 m sous le niveau de la mer une température à l'ombre de 42°C sous une pression de 1003 mb. Les plus hautes températures ont atteint 134°F soit 56.7°C à Furnace Creek, en Californie, le 10 juillet 1913 (mais la mesure est sous caution, cf. cette critique publiée par Weather Underground) et 130°F soit 54.4°C le 17 août 2020 (cf. le tweet de l'OMM). Les touristes sont priés de prendre des mesures de sécurité pour ne pas être surpris par les fortes chaleurs. Si on monte dans les montagnes jusqu'au sommet du pic de Dantes situé à 5 km au sud-est et qui culmine à 1669 m d'altitude, on constate que la température est nettement plus supportable et est retombée à 30°C tandis que la pression n'est plus que de 831 mb.

On en déduit que c'est l'épaisseur de l'atmosphère qui augmente la température au niveau du sol. En même temps, la colonne d'air étant plus massive par une unité de surface, la pression au sol est plus élevée.

Notons qu'on retrouve le même effet mais très amplifié sur Vénus qui est enveloppée d'une épaisse atmosphère de gaz carbonique. Sa température au sol atteint en moyenne 485°C pour une pression de 93 atmosphères !

L'effet de serre

Nul n'est besoin de rappeler que la température varie également en fonction de l'intensité de l'effet de serre induit notamment par l'émission de certains gaz liés aux activités humaines. Cet effet ayant des conséquences inattendues et dommageables à long terme sur toute la biosphère, vu son importance nous lui consacrerons un article.

Prochain chapitre

Le vent

Retour à la Météorologie