Variation de la pression et de la température atmosphériques avec l'altitude

Variation de la pression et de la température atmosphériques avec l'altitude

Atmosphère normalisée

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L'atmosphère normalisée définit des « conditions normales de température et de pression » (CNTP) qui permettent de s'affranchir des variations de ces deux paramètres selon le lieu et le temps considérés. On parle aussi de « température et pression normales » (TPN). Ici, le terme « normal » renvoie à « norme » (valeur arbitraire de référence acceptée par consensus), et non pas à « habituel ».

La température et la pression de l'atmosphère varient en fonction de la position sur le globe, de l'altitude et du moment (saison, heure de la journée, conditions locales de météorologie, etc.). Les valeurs dites « normales » de pression et de température seront définies en fonction de l'altitude. Ces valeurs ont une grande importance dans de nombreux processus chimiques et physiques, notamment en ce qui concerne les mesures.

Sommaire

Atmosphères normalisées

Lorsque l'on s'intéresse à des variations notables d'altitude, il faut définir des valeurs normalisées selon l'altitude ; ce sont les atmosphères normalisées.

L'atmosphère terrestre est soumise à de nombreuses variations de température et de pression. Les valeurs varient en fonction du moment et de la position sur le globe de manière extrêmement complexe (en raison de nombreux paramètres, comme le relief, l'ensoleillement, l'humidité, les vents, la température des courants marins, etc.), c'est pourquoi l'on définit des valeurs typiques de référence qui ne dépendent que de l'altitude.

De manière globale :

  • il s'établit un gradient thermique entre le sol, dont la température est gouvernée par la géothermie, et l'ensoleillement (effet de corps noir, effet de serre, effet albédo), et l'espace ;
  • il s'établit un gradient de pression : la pression est créée par le poids de l'air situé au-dessus du lieu considéré ; il faut prendre en compte la compressibilité de l'air ainsi que la variation de la gravité avec l'altitude.

À faible altitude, la pression atmosphérique baisse de 1 hPa chaque fois que l'on s'élève de 8 mètres, et la température baisse d'environ 1 °C chaque fois que l'on s'élève de 150 m (valeur ISA : perte de 6,5 °C par kilomètre, soit 1 °C pour 154 m).

Atmosphère type internationale

L'atmosphère type internationale (ISA pour International Standard Atmosphere) est un modèle atmosphérique décrivant les variations de pression, de température, de densité et de viscosité pour un large éventail d'altitudes. Il se compose d'une table de valeurs à différentes altitudes et de quelques formules qui ont permis le calcul de ces valeurs. L'organisation internationale de normalisation (ISO pour International Organization for Standardization) publie l'atmosphère type internationale (ISA) comme norme, ISO 2533:1975[1]. D'autres organismes de normalisation, comme l'organisation de l'aviation civile internationale et le gouvernement des États-Unis, publient, sous leur propre autorité, des prolongements ou des sous-ensembles de normes pour le même modèle atmosphérique,.

Description

Le modèle ISA divise l'atmosphère en différentes couches avec une distribution linéaire de la température[2]. Les autres valeurs sont calculées à partir des constantes physiques fondamentales et dérivées. Par exemple, au niveau de la mer la norme donne une pression de 1 013,25 hPa (hectopascal), une température de 15 °C et un gradient thermique adiabatique de -6,5 °C/km. On peut lire ensuite sur la table qu'à 11 km d'altitude la pression a chuté à 226,32 hPa et la température à -56 °C. Entre 11 km et 20 km la température reste constante[3],[4].

Couches de l'atmosphère type internationale Standard Atmosphere 1976
Couche Nom de
la couche		 Hauteur
de la base
géopotentielle
h (en km)		 Hauteur
de la base
géométrique
z (en km)		 Gradient
thermique
adiabatique
(en °C/km)
Température
à la base
T (en °C)		 Pression
atmosphérique
à la base
p (en Pa)
0 Troposphère 0,0 0,0 −6,5 +15,0 101 325
1 Tropopause 11,000 11,019 +0,0 −56,5 22 632
2 Stratosphère 20,000 20,063 +1,0 −56,5 5 474,9
3 Stratosphère 32,000 32,162 +2,8 −44,5 868,02
4 Stratopause 47,000 47,350 +0,0 −2,5 110,91
5 Mésosphère 51,000 51,413 −2,8 −2,5 66,939
6 Mésosphère 71,000 71,802 −2,0 −58,5 3,9564
7 Mésopause 84,852 86,000 — −86,2 0,3734

Dans ce tableau, la hauteur géopotentielle est calculée à partir d'un modèle mathématique dans lequel l'accélération de la pesanteur est supposée constante. La hauteur géométrique vient de l'hypothèse — plus exacte — que la pesanteur suit une loi de l'inverse des carrés (car l'interaction gravitationnelle entre deux corps est inversement proportionnelle au carré de la distance les séparant).

Le modèle ISA est basé sur des conditions moyennes à une altitude moyenne tel que déterminé par le comité technique ISO TC 20/SC 6. Il y a eu plusieurs révisions depuis le milieu du XXe siècle.

Atmosphère type OACI

L'Organisation de l'aviation civile internationale (OACI) définit l'« atmosphère type OACI ». C'est le même modèle que l'ISA, mais il couvre les altitudes jusqu'à 80 km (262 500 ft). De plus, l'atmosphère type OACI ne prend pas en compte la vapeur d'eau.

Les valeurs au niveau de la mer sont de 1 013,25 hPa pour la pression atmosphérique, de 15 °C pour la température et de 0% pour l'humidité. Ces valeurs sont utilisées pour calculer diverses caractéristiques de performance aéronautique, telles que l'endurance, le rayon d'action, la vitesse aérienne et la consommation de carburant. Pour se reporter à une altitude barométrique autre que le niveau de la mer, la température est ajustée selon le gradient thermique adiabatique prescrit (qui est de -6,5 °C/km pour les premiers 11 km).[5]

En ce qui concerne l'aéronautique :

  • Au niveau de la mer, l'air est à 15 °C et à 1 013,25 hPa ;
  • la troposphère s'étend de 0 à 11 km ; la température décroît linéairement de 6,5 °C par km, elle a donc une température de -56,5 °C à la tropopause.
La pression en altitude est fonction de la pression au sol (\,P_{sol}\,)~ en hPa et de l'altitude (\,alti\,) en m :
P_{alti} = P_{sol}\;\left(\frac{288 - 0,0065\;alti}{288}\right)^{5,255} .
  • à la tropopause et à la basse stratosphère, entre 11 et 20 km d'altitude, la température est constante et vaut -56,5 °C ;
  • dans la moyenne stratosphère, entre 20 et 32 km, l'air se réchauffe linéairement de +1 °C par km, sa température atteint donc -44,5 °C à 32 km d'altitude.

Pour la météorologie, on extrapole ce modèle pour des altitudes plus élevées :

  • dans la haute stratosphère, entre 32 et 47 km d'altitude, la température croît linéairement de +2,8 °C par km, atteignant -2,5 °C à 47 km ;
  • dans la stratopause, de 47 à 51 km, la température reste constante à -2,5 °C.

Pour l'aéronomie, on étend ce modèle jusqu'à la mésopause, à 85 km d'altitude : la température décroît linéairement et atteint -90 °C à cette altitude.

Tableau de valeurs

On obtient les valeurs suivantes :

TROPOSPHÈRE
 altitude (km)
 pression (hPa)
 température (°C)
0 1 013 15
 0,5  955  12
 1  900  8,5
 1,5  845  5,5
 2  794  2
 2,5  746  -1
 3  700  -4,5
 3,5  658  -7,5
 4  617  -11
 5  541  -17,5
 6  471  -24
 7  411  -30,5
 8  357  -37
 9  307  -43,5
 10  265  -50
TROPOPAUSE, STRATOSPHÈRE ET STRATOPAUSE
 altitude (km)
 pression (hPa)
 température (°C)
 11  227  -56,5
 12  194  -56,5
 13  165  -56,5
 14  141  -56,5
 15  119  -56,5
 20  55  -46
 30  11  -38
 40  3  -5
 50  0,9  +1
MÉSOSPHÈRE ET AU-DELÀ
 altitude (km)
 pression (hPa)
 température (°C)
 60  2,5 10-2  -20
 100  4,0 10-4  -64
 200  1,3 10-6  822
 300  2,0 10-7

 953
 400  4,4 10-8  973
 500  1,1 10-8  977

Atmosphère Army Standard Metro

L'atmosphère Army Standard Metro, utilisée en balistique, définit les conditions au niveau de la mer comme étant 29,5275 in Hg (749,9985 mm Hg) de pression (999,916 hPa), 59°F (15 °C), et 78% d'humidité.[6]

Différentes atmosphères standard

L'atmosphère américaine normale (U.S. Standard Atmosphere) est un modèle qui définit les valeurs de la température atmosphérique, de la pression et d'autres propriétés, pour un large éventail d'altitudes. Le premier modèle, basé sur des normes internationales existantes, a été publié en 1958 par le Comité américain pour l'extension des normes atmosphériques (U.S. Committee on Extension to the Standard Atmosphere)[7] et fut mis à jour en 1962[8], 1966[9], et 1976[10].

Les modèles proposés par l'atmosphère américaine normale, l'atmosphère type OACI et l'organisation météorologique mondiale sont les mêmes que celui de l'ISA pour les altitudes jusqu'à 32 km[11],[12]

NRLMSISE-00 est un modèle global empirique de l'atmosphère terrestre, du sol jusque dans l'espace. Il rend compte de la température et de la densité des composants atmosphériques. Primitivement, ce modèle a été utilisé comme aide à la prévision de la dégénérescence des satellites par la trainée atmosphérique.

Les conditions normales de température et de pression concernent la température et la pression des gaz dans le domaine de la chimie.

Chimie

En chimie, on rencontre deux pressions de référence :

  • la pression standard, notée p° : 1 bar = 105 Pa ≈ 750 mm Hg ≈ 14,504 psi, recommandée par l'IUPAC ;
  • la pression normale : 1 atm = 760 mm Hg = 1,013 25·105 Pa ≈ 14,696 psi.

Il n'y a pas de température standard. Il convient donc de toujours préciser la température considérée.

L'expression « Conditions normales de température et de pression » (CNTP) spécifie une température de 0 °C (273,15 K) et une pression de 1 atm (définie comme étant 101,325 kPa, ou 1,01325 bar). On peut alors déterminer le volume qu'occupera une mole d'un gaz parfait dans les conditions CNTP en utilisant la loi des gaz parfaits : 22,4 ℓ/mol.

L'expression « Conditions ambiantes de température et de pression » (CATP) spécifie une température de 25 °C (298,15 K) et une pression de 1 000 hPa (1 bar). La « température ambiante » est de 25 °C ; si la pression n'est pas précisée, on suppose implicitement une pression de 1 000 hPa. Bien qu'il existe des variations à cette définition, la plus commune est la température et la pression auxquelles la constante d'équilibre d'auto-ionisation de l'eau est 1,0·10-14.

Notes et références

  1. ↑ (en) International Organization for Standardization, Standard Atmosphere, ISO 2533:1975, 1975.
  2. ↑ (en) Graham Gyatt, 14 janvier 2006 : The Standard Atmosphere. Un modèle mathématique de l'atmosphère standard américaine en 1976.
  3. ↑ (en) D.J. Auld, K. Srinivas, Properties of the Atmosphere, 2008, http://www.aeromech.usyd.edu.au/aero/atmosphere/
  4. ↑ (en) G. K. Batchelor, An Introduction to Fluid Dynamics, Cambridge Univ. Press, 1967.
  5. ↑ Manuel de l'atmosphère type OACI (élargie jusqu'à 80 kilomètres (262 500 pieds)), Doc 7488/3e édition, 1993
  6. ↑ U.S. Army Ballistic Research Laboratory, U.S. Army Aberdeen Proving Ground
  7. ↑ (en) U.S. Extension to the ICAO Standard Atmosphere, U.S. Government Printing Office, Washington, D.C., 1958.
  8. ↑ (en) U.S. Standard Atmosphere, 1962, U.S. Government Printing Office, Washington, D.C., 1962.
  9. ↑ (en)U.S. Standard Atmosphere Supplements, 1966, U.S. Government Printing Office, Washington, D.C., 1966
  10. ↑ (en) U.S. Standard Atmosphere, 1976, U.S. Government Printing Office, Washington, D.C., 1976, (le fichier pèse 17 MB).
  11. ↑ (en) NASA, U.S. Standard Atmosphere 1976.
  12. ↑ (en) C. Tomasi, V. Vitake, L.V. De Santis, Relative optical mass functions for air, water vapour, ozone and nitrogen dioxide in atmospheric models presenting different latitudinal and seasonal conditions, Meteorology and Atmospheric Physics, 1998, volume 65, numéro 1, pages 11 à 30, L'article au format .pdf..

Sources

Articles connexes

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