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Question 6 : Il fait plus chaud en juillet/août alors que le Soleil est à son maximum le 21 juin. Pourquoi ?

C'est le 21 juin que le Soleil chauffe le plus l'hémisphère Nord, car la durée du jour et la hauteur du soleil dans le ciel sont maximales. Pourtant, le maximum de température a lieu bine après, vers le 20 juillet. D'où vient un tel décalage ?

Là aussi, il s'agit d'un phénomène d'inertie thermique. Bien que le Soleil commence à décliner après le 21 juin, il continue de réchauffer le sol pendant plusieurs semaines. Le fait que les nuages soient un peu moins nombreux en juillet qu'en juin est en réalité accessoire. Près des côtes, ce phénomène est encore plus accentué car les océans ont une forte inertie thermique. La température de l'air y est la plus élevée vers le 10 août, près de 2 mois après l'intensité maximale du Soleil.

L'hiver, on retrouve le même décalage : l'ensoleillement est le plus faible le 21 décembre, alors que le moment le plus froid de l'année se situe vers le 20 janvier dans les terres et le 10 février sur les côtes.

Question 7 : Pourquoi l'air chaud monte-t-il ?

A l'intérieur d'un pneu de voiture chauffé au Soleil, la pression monte, le pneu peut éclater. Si l'air veut s'échapper du pneu, c'est que tout le gaz a tendance à se dilater quand il est chauffé. A pression ambiante, un gramme d'air occupe un volume de 0,77 litre à 0°C, et 0,92 litre à 50°C. Sachant que l'air chaud prend plus de place, sa densité est plus faible, il est donc plus léger. Si on mélange de l'eau à l'huile, l'huile monte à la surface parce qu'elle est moins lourde. De la même façon, l'air chaud va monter parce qu'il est plus léger que l'air ambiant.

En météorologie, ce phénomène est primordial, notamment dès que le Soleil chauffe le sol. Il est à la base des brises de mer et de montagne, ainsi qu'à celle de la formation des cumulus et des cumulonimbus (nuages d'orage).

Question 8 : Pourquoi fait-il alors plus froid en altitude ?

Le sol a souvent des raisons d'être plus chaud que l'atmosphère : il est chauffé par les rayons solaires (et par l'infrarouge émis par l'atmosphère). L'air, chauffé au contact du sol, monte. L'atmosphère est également brassé par le vent. La température de l'air devrait donc être homogénéisée verticalement. Or, il n'en est rien. D'où provient ce phénomène ?

Quand une quantité d'air est poussée vers le haut pour une raison ou une autre, sa pression diminue avec l'altitude. Or, d'après la thermodynamique, un gaz qui se détend se refroidit automatiquement. Notre air va donc se refroidir en montant; il perd 10°C tous les 1000 mètres d'altitude. A l'intérieur d'un nuage, la baisse n'est que de 6°C par 1000 mètres (en effet, la condensation libère de la chaleur, ce qui limite le refroidissement). L'atmosphère n'étant ni entièrement sèche, ni entièrement saturée, la valeur réelle est généralement située entre ces 2 valeurs. Sur l'ensemble du globe on considère que la température baisse en moyenne de 6,5°C tous les 1000 mètres. Le refroidissement avec l'altitude a lieu jusqu'à un certain niveau, appelé "tropopause", situé entre 6 et 17 km. Au-dessus l'air est chauffé par l'action du Soleil sur l'ozone.

Cette décroissance de la température avec l'altitude est mise en défaut dans les cas d'"inversion de température": l'hiver, à l'intérieur des continents, la surface du sol se refroidit parce qu'elle reçoit très peu d'énergie du Soleil; l'air froid au contact du sol est dense et ne se mélange pas avec l'air supérieur chaud.

Question 9 : Quelles sont les principales couches de l'atmosphère ?

    Troposphère : du sol à 10 km d'altitude en moyenne. C'est le domaine de la Météorologie, c'est là que se trouvent tous les nuages (exceptés les rares nuages nacrés). La température y décroît généralement avec l'altitude.

    Stratosphère : de 10 km à 50 km environ. La température augmente avec l'altitude car il y a de l'ozone qui absorbe une partie du rayonnement solaire (les ultra-violets).

    Tropopause : c'est le niveau supérieur de la troposphère. Son altitude est variable, de 6 km aux pôles à 17 km à l'équateur, environ. Comme l'air de la stratosphère est plus chaud (et donc plus léger), l'air de la troposphère ne peut pas monter au-dessus de la tropopause, et même mes puissants cumulonimbus, nuages d'orage, restent confinés dans la troposphère.

Question 10 : Pourquoi mesure-t-on la température à l'ombre ?

Nous avons plus chaud au soleil qu'à l'ombre. Pourquoi les services météorologiques mesurent-ils alors la température uniquement à l'ombre ?

De fait, l'air est traversé par les rayons du Soleil sans être chauffé par eux, la température de l'air est donc à peut près la même à l'ombre qu'au Soleil. En revanche, un thermomètre placé au Soleil donne une température plus élevée que la température de l'air car il est chauffé en plus par le rayonnement solaire. L'indication donnée par un thermomètre au Soleil ne veut donc rien dire.

D'ailleurs, si on prend 2 thermomètres de fabrications différentes, ils ne donneront pas la même indication au Soleil : le thermomètre le plus sombre s'échauffera nettement plus.

Pour mesurer réellement la température de l'air, le thermomètre doit donc être placé à l'ombre. Il doit aussi être protégé de la pluie pour ne pas subir de refroidissement anormal. La norme internationale impose que les thermomètres soient placés dans un abri blanc pour éviter l'échauffement au Soleil, muni de persiennes qui laissent largement circuler l'air. Cet abri doit être placé à une hauteur de 1,50 mètre, au-dessus d'un sol enherbé.