Les débuts de la Météorologie
L’étude de l’atmosphère terrestre a débuté dans l’Antiquité. L’ouvrage le plus ancien sur le sujet date du IVe siècle avant notre ère. Il s’agit des Météorologiques du célèbre penseur grec Aristote. Dans ce premier traité de météorologie, Aristote décrit la Terre comme un système constitué de quatre éléments naturels : l’eau, la terre, le feu et l’air. L’interaction de ces éléments produit des phénomènes célestes comme les nuages, la pluie, la neige, le brouillard… Aristote les appelle des météores.
Plus précisément, il établit la distinction entre les météores substantiels – faits d’une substance palpable – comme la neige, la pluie ou les nuages, des météores d’apparence comme le brouillard et la rosée. S’appuyant sur ses propres observations, le célèbre philosophe propose une première compréhension de leur formation et de leur devenir.
Jusqu’au XVIIIe siècle, le traité d’Aristote a fait figure de référence. Puis l’essor des techniques et des instruments de mesure est venu bouleverser l’état des connaissances…
Les mesures atmosphériques
Le développement de nouveaux instruments de mesure (ex. thermomètre, baromètre, pluviomètre) et l’implantation de stations météorologique ouvrent le champ à la caractérisation fine des phénomènes météorologiques.
Toutefois, il faut attendre le XXe siècle pour que la météorologie prenne vraiment son essor. Là encore, les développements instrumentaux sont à la base du progrès des connaissances. Les ballons-sondes et les avions instrumentés rapportent ainsi des mesures de pression et température s’élevant jusqu’à 20 km.
La spécification de l’atmosphère devient un enjeu pour le développement de l’aviation. Elle permet d’assurer de meilleures conditions de vol et de garantir la sécurité des pilotes et de leurs passagers. Les mesures effectuées aux quatre coins du globe amènent l’Organisation Internationale de Normalisation à définir un modèle des conditions atmosphériques moyennes : l’atmosphère standard (ISA : International Standard Atmosphere). Une première version du modèle est proposée en 1958. Elle définit les valeurs de température et de pression en prenant en compte les effets de la vapeur d’eau et ce, jusqu’à 20 km d’altitude. D’autres modèles comme celui développé par l’Organisation de l’Aviation Civile Internationale (OACI), viennent par la suite compléter et améliorer les données de l’ISA.
Structure de l’atmosphère
La température de l’air au niveau de la surface varie en fonction de la position géographique et des saisons. Toutefois, il existe une évolution commune lorsqu’on monte en altitude ce qui permet de définir un profil type de température.
Le graphique ci-après montre l’évolution de la température moyenne en fonction de l’altitude. Les variations bien marquées de température montrent l’existence d’une stratification verticale et de couches aux propriétés bien distinctes.
La basse atmosphère est aussi connue sous le nom de Troposphère. C’est la couche la plus documentée en raison de sa facilité d’observation instrumentale. L’exploration des couches sus-jacente est plus tardive. Elle démarre dans les années 1960 grâce au développement des satellites opérationnels. Les nouvelles observations permettent ainsi documenter peu à peu la Stratosphère (20-50 km d’altitude), la Mésosphère (50-100 km) et la Thermosphère (sup. 100 km).
La Stratosphère s’étend de 20 à 50 km d’altitude en moyenne. Elle contient près de 20% de la masse atmosphérique et quasiment pas de vapeur d’eau. C’est donc un air sec et raréfié. L’absence de vapeur d’eau rend le milieu très calme. Ici, pas de précipitation ni de nuage (à l’exception de quelques formations nuageuses très ténues dans les régions polaires). En revanche, la Stratosphère est un milieu riche en ozone (O3). La concentration atteint les 10 parties par million (soit 100 fois plus qu’en Troposphère). L’ozone est concentré entre 20 et 30 km d’altitude, ce qui délimite une couche : la fameuse couche d’ozone.
La Mésosphère est une couche intermédiaire entre la Stratosphère et l’espace. La chaleur émise par l’ozone stratosphérique y négligeable aussi la température diminue dans cette couche. De nombreux phénomènes liés à l’activité solaire s’y déroulent (ionisation, photodissociation moléculaire). Encore aujourd’hui, la Mésosphère est une couche assez méconnue. Elle est en effet très difficile d’observation car trop éloignée du sol pour être sondée depuis la surface, et trop basse pour être visible des satellites d’observation.