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À ciel découvert

Sciences expérimentales et technologie - français / cycle 3

Par Françoise Perrachon, médiatrice culturelle en sciences et technologie

DOCUMENTS

Les différentes couches de l’atmosphère

DOC A L’atmosphère autour de notre planète.

Le poids de l’air et la pression atmosphérique

DOCS B, C  Serge D’Amico, La Météo, Minerva, 2001.

Les vents, des courants d’air à l’échelle planétaire

DOC D Les déplacements de l’air aux pôles.

Des masses d’air qui s’affrontent

DOCS E, F Serge D’Amico, La Météo, Minerva, 2001.

Des nuages tous différents

DOC G Claudine et Jean-Michel Masson, Les Caprices de la météo, Mango, 2010.

DOC H Des nuages à différentes altitudes.

Des gouttelettes en suspension aux précipitations

DOC I Serge D’Amico, La Météo, Minerva, 2001.

Prévoir le temps

DOC J Instruments utilisés dans une station météorologique au sol

ANALYSES DES DOCUMENTS

Les différentes couches de l’atmosphère

L’atmosphère qui entoure la Terre est composée essentiellement d’air, dont les constituants principaux sont l’azote et l’oxygène, complétés dans des proportions plus faibles par l’argon, l’hélium, l’ozone… ainsi que d’eau sous ses trois états (gazeux, liquide et solide). L’atmosphère constitue également une protection contre les radiations solaires. Formée de différentes couches, elle présente des variations de température selon l’altitude. La troposphère, la plus proche de la Terre, s’étend jusqu’à 20 kilomètres dans les régions équatoriales. Plus fine aux pôles, elle avoisine les 10 kilomètres aux latitudes tempérées, avec une température qui diminue de 6,5 °C tous les 1 000 mètres. Lorsqu’elle franchit le seuil de la tropopause, elle se réchauffe dans la stratosphère sous l’influence de la couche d’ozone qui absorbe les rayons ultraviolets. À 50 kilomètres d’altitude se trouve la mésosphère, couche où la température décroît à nouveau jusqu’à - 80 °C. Au-delà de 500 kilomètres, dans la thermosphère, l’air se raréfie. C’est donc dans la troposphère, qui contient beaucoup de vapeur d’eau, que se déroulent les variations météorologiques, et que se forment les nuages. • Proposer l’activité 1 dans TDC, « La météorologie », no 1026, p. 33.

Le poids de l’air et la pression atmosphérique

L’air composé de gaz est une matière. En 1643, Evangelista Torricelli, mathématicien, élève de Galilée, met en évidence la pression atmosphérique, c’est-à-dire le poids exercé par l’air à la surface de la Terre. Il invente le baromètre à mercure composé d’une cuve remplie de cet élément et d’un tube en verre à l’intérieur duquel on a fait le vide. Le poids de l’air fait remonter le mercure dans le tube. Blaise Pascal reprend les travaux de Torricelli, émet l’hypothèse d’une diminution de la pression atmosphérique avec l’altitude, puis la vérifie sur le puy de Dôme. L’unité de mesure de la pression est le pascal. En météorologie, on utilise l’hectopascal (hPa).

La composition chimique de l’air comprend des gaz formés de molécules en mouvement qui sont à l’origine de la pression atmosphérique. Lorsque, à une altitude donnée, la température d’une masse d’air baisse, la diminution de l’agitation des molécules entraîne une contraction de l’air. Plus dense et donc plus lourd que dans les régions voisines, il descend et crée une zone de haute pression, appelée anticyclone, qui, en été, est synonyme de beau temps. À l’inverse, lorsque la température d’une masse d’air augmente, les molécules s’éloignent les unes des autres. L’air est plus léger et s’élève en créant une dépression qui apporte le mauvais temps avec vents et pluies. Ces turbulences atmosphériques dans la troposphère ont pour origine une distribution inégale de l’énergie solaire. • Proposer l’activité 1 p. 33.

Les vents, des courants d’air à l’échelle planétaire

Dans sa partie inférieure, l’atmosphère, formée de masses d’air de pressions différentes, est animée par des déplacements permanents verticaux et horizontaux. Ces circulations ont pour origine une distribution inégale de l’énergie solaire, plus importante à l’équateur qu’aux pôles. En raison de la sphéricité de la Terre, l’angle que font les rayons avec la surface de notre planète (angle d’incidence) varie de 90° à la latitude 0° (équateur) à 1° à la latitude 90° (pôles), régions touchées par des rayons solaires rasants.

Les vents qui circulent à l’échelle planétaire favorisent les échanges entre différentes régions climatiques et rendent possible un équilibre. Toutefois, l’air ne se déplace pas directement de l’équateur aux pôles : les masses d’air font des boucles entre l’équateur et les pôles.

L’air chaud équatorial se refroidit au fur et à mesure de son déplacement, il perd de l’altitude à 30° de latitude, et rebrousse chemin en formant une boucle, nommée « cellule de Hadley » – George Hadley (1685-1768) s’est intéressé aux alizés de la zone intertropicale. Les vents de basse altitude sont déviés sur la droite dans l’hémisphère Nord et sur la gauche dans l’hémisphère Sud du fait de la rotation de la Terre (environ 1 670 km/h) qui génère une force centrifuge ou force de Coriolis – Gaspard Coriolis (1792-1843) a démontré la trajectoire courbe des courants atmosphériques et marins.

À des latitudes supérieures (60°), une autre boucle, « la cellule de Ferrel », se forme. L’air tiède et tempéré descend en zone tropicale et rebrousse chemin à basse altitude pour donner les vents d’ouest des zones tempérées. De son côté, l’air froid en provenance des pôles reprend de la chaleur à 60° de latitude, s’élève et retourne en partie à son point de départ, formant la boucle polaire. Les masses d’air venues des pôles donnent des vents d’est, froids et secs. Ainsi, dans chaque hémisphère, les circulations troposphériques forment trois boucles.

Dans les zones tropicales, les vents d’altitude soufflent à plus de 450 km/h. Ce « courant-jet » empêche l’air chaud équatorial de poursuivre son chemin vers les pôles. Enfin, les courants d’altitude, de plus en plus violents, donnent naissance à des dépressions qui permettent les échanges entre air chaud et air froid nécessaires à l’équilibre de notre atmosphère.

• Proposer l’activité 2 dans TDC, « La météorologie », no 1026, 15 décembre 2011, p. 33.

Des masses d’air qui s’affrontent

Les masses d’air – de température et d’humidité différentes – se déplacent au gré des vents et s’affrontent. L’air chaud s’engouffre avec difficulté dans la masse d’air froid et, plus léger que ce dernier, amorce une ascension dans la zone de dépression puis se refroidit. La vapeur d’eau qu’il contient se condense sous forme de gouttelettes donnant naissance à des nuages tout au long de la surface de contact entre air chaud et air froid. La zone nuageuse ainsi formée constitue un « front chaud » donnant dans un premier temps des nuages de haute altitude formés de cristaux de glace qui n’entraînent pas de précipitation. En avançant, le front chaud descend vers des altitudes plus basses, donnant naissance à des nimbostratus, des nuages épais qui annoncent la pluie.

Lorsqu’une masse d’air froid et dense entre en contact avec une masse d’air chaud, elle se glisse sous cette dernière qui est contrainte à s’élever rapidement. L’arrivée d’air chaud en altitude et la condensation de la vapeur d’eau qui en découle engendrent la formation de nuages floconneux, des cumulus, le long d’une zone de contact appelée « front froid ». Les courants chauds peuvent continuer de se développer en hauteur et former d’imposants nuages, des cumulonimbus, qui entraînent de fortes précipitations et des orages. Après la dépression s’installe un ciel de traîne avec de premières éclaircies qui peuvent s’étendre en ramenant le beau temps. Toutefois, dans la plupart des cas, l’atmosphère demeure instable. L’air frais circule plus rapidement que l’air chaud. Il arrive que deux masses d’air froid se rejoignent, enfermant une masse d’air chaud qu’elles rejettent en altitude. Il s’agit d’un « front occlus » donnant un système nuageux compact qui s’étend sur des milliers de kilomètres. • Proposer l’activité 2 p. 33.

Des nuages tous différents

La vapeur d’eau transportée par l’air augmente avec la température, qui varie en fonction de la zone climatique et de l’altitude. Lorsque la quantité de vapeur d’eau dépasse un seuil, elle se condense en fines gouttelettes qui se forment à partir de supports tels que des particules de poussière, de sable ou encore des cristaux de sel présents en grande quantité à la surface de la Terre. Plus l’altitude est élevée, moins les particules sont abondantes. Aussi, l’air peut contenir une très importante quantité de vapeur d’eau : il est en sursaturation.

Les nuages, amas de vapeur d’eau condensée en suspension dans l’atmosphère, ont des formes différentes qui laissent présumer du temps qu’il fera dans les heures à venir. Jean-Baptiste de Lamarck (1744-1829), connu pour ses travaux sur l’évolution et sa théorie du transformisme, avait proposé en 1802 une classification des nuages à laquelle l’empereur Napoléon n’avait accordé aucune importance. Luke Howard (1772-1864) s’intéresse à la forme des nuages et leur attribue des noms latins. Il deviendra un grand météorologue.

Les nuages les plus élevés évoquent des boucles de cheveux, ils se nomment « cirrus ». Ceux qui s’amoncellent portent le nom de « cumulus » ; ils sont plus près du sol. Ceux qui s’étalent ont pour nom « stratus ». À partir de ces trois catégories, Howard répertorie dix types de nuages. Les cirrus, très fins, se déplacent à une altitude élevée. Ils sont constitués de cristaux de glace comme les cirrostratus et les cirrocumulus. Les premiers forment un voile à travers lequel on peut apercevoir un soleil pâle ; les seconds, constitués de petits éléments plus ou moins rassemblés, annoncent l’approche d’une perturbation. Les nimbostratus, plutôt épais, assombrissent le ciel et donnent des précipitations. Les altocumulus se reconnaissent à leur forme de tout petits nuages en bancs et peuvent annoncer l’arrivée d’un orage. Les altostratus se caractérisent par une couche nuageuse plus ou moins dense augurant que le temps se couvre. Les stratocumulus forment de gros rouleaux gris plus ou moins foncés qui engendrent rarement des précipitations, sous forme de quelques gouttes de pluie ou de flocons de neige. Les stratus forment une couche nuageuse basse donnant un temps gris avec de la bruine.

Deux types de nuages ont un développement vertical. Les cumulus – dont la base se situe à une centaine de mètres du sol et dont le sommet atteint 5 000 mètres – sont d’aspect floconneux évoquant un chou-fleur. Ils se développent sur un ciel bleu, et, lorsqu’ils atteignent des altitudes élevées, ils donnent des averses. Les cumulonimbus sont les nuages les plus imposants. Leur base sombre est proche du sol, et leur sommet peut s’élever jusqu’à la tropopause à 10 000 ou 15 000 mètres d’altitude. Ils provoquent des orages avec de fortes averses de pluie ou de grêle, voire des tornades. • Proposer l’activité 3 p. 33.

Des gouttelettes en suspension aux précipitations

Les précipitations prennent naissance dans les nuages, à température négative en général, là où coexistent cristaux de glace et gouttelettes d’eau en surfusion (état liquide bien que la température soit en dessous de 0 °C). D’une grande instabilité, ces gouttelettes se congèlent en formant de fins cristaux de glace qui, dans les nuages les plus élevés, ne donnent pas de précipitation. Lorsque les cristaux grossissent, ils deviennent plus lourds et tombent. Un phénomène de coalescence se produit au cours de leur chute : les cristaux amassent des gouttelettes et s’accroissent. De ce fait, ils accélèrent leur chute. Des agglomérats se forment, donnant des flocons de neige. Au cours de leur descente, en fonction de la température, les précipitations se présentent sous forme de neige, de grêle ou de pluie. Quand les flocons ne traversent pas de zones d’air à température positive ou lorsqu’ils les traversent rapidement, ils ne fondent pas. C’est sous forme de neige, un assemblage de cristaux de glace, qu’ils atteignent le sol. Lorsque ces cristaux capturent trop rapidement les gouttelettes, la cristallisation n’a pas le temps de se former : la glace tombe en grêle, grêlons d’un demi-centimètre ou en grésil. Plus fréquemment, les flocons de neige fondent pendant leur chute et se transforment en gouttes de pluie de tailles différentes (un demi-millimètre sous forme de bruine ; un demi-centimètre sous forme de grosses gouttes qui n’ont pas éclaté au cours de leur descente). • Proposer l’activité 3 p. 33.

Prévoir le temps

Des millions de mesures effectuées tous les jours au sol et en altitude à l’échelon de la planète permettent, grâce à un maillage serré, d’élaborer des cartes synoptiques sur la circulation des masses d’air dans l’atmosphère et de fournir des cartes prévisionnelles sur la couverture nuageuse, les précipitations et les températures. Un réseau de stations météorologiques et de radars terrestres, des stations automatiques embarquées sur des bateaux ou arrimées à des bouées, des observations faites par ballons-sondes, avions ou satellites fournissent ces informations à de puissants ordinateurs qui les traitent en tenant compte des conditions atmosphériques à un endroit donné et des interactions avec celles des régions voisines. Aujourd’hui, sous l’égide de l’Organisation de la météorologie mondiale, près de six mille stations météorologiques collectent des données.

Le document présente différents instruments de mesure. Au sol, les stations météorologiques captent l’ensoleillement, les précipitations, la pression atmosphérique, la force et la direction du vent, la température et l’humidité de l’air. Certains instruments sont placés dans un abri météorologique : le psychromètre et l’hygrographe qui mesurent l’humidité de l’air, les thermomètres à minimum et à maximum qui enregistrent les températures extrêmes d’une journée. L’abri présenté dans le doc J est de type Stevenson – du nom de son concepteur (1818-1887). Aujourd’hui, un grand nombre de stations sont équipées d’abris miniatures avec des capteurs de taille réduite. Une station météorologique est également équipée d’un baromètre pour mesurer la pression atmosphérique, d’un pluviomètre, d’une girouette et d’un anémomètre pour mesurer la direction et la force du vent.

Les données recueillies au sol sont complétées par des informations sur les couches d’air de l’atmosphère. Le radar, en émettant des ondes radio et en mesurant l’intensité du rayonnement qui lui parvient en retour, détecte les gouttes de pluie. Le ballon-sonde, gonflé à l’hélium, monte dans l’atmosphère pour effectuer des mesures sur les masses d’air qu’il traverse (température, humidité, direction et vitesse du vent) et les transmet par radio à la station. Ayant atteint une trentaine de kilomètres d’altitude, il éclate, et la sonde redescend au sol avec un parachute. Cinq satellites géostationnaires – dont la position par rapport à la Terre ne change pas – sont répartis autour de la planète à 36 000 kilomètres d’altitude pour couvrir plusieurs zones géographiques. Ils recueillent des données concernant l’évolution des masses nuageuses ou la formation des cyclones. Parmi eux, Météosat, le satellite européen, couvre l’Afrique et l’Europe. À une altitude plus basse (850 km), d’autres, dits à défilement, tournent en permanence autour de la planète selon une orbite polaire. • Proposer l’activité 4 p. 33.