Pourquoi la température de l'air diminue-t-elle avec l'altitude ?

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Pourquoi la température de l'air diminue-t-elle avec l'altitude ?

Pourquoi la température de l'air diminue-t-elle avec l'altitude alors qu'on se rapproche du soleil ?

La question est simple et joliment posée, la réponse sera pénible et dénuée de poésie.
D'abord, réglons son compte au fait de se rapprocher du Soleil. Certes, on s'en rapproche, mais le fait de faire 10 km vers lui en rapproche autant que d'avancer d'un millimètre vers une lampe située à 15km. C'est pas ça qui réchauffera beaucoup.
Le refroidissement avec l'altitude se comprend si on admet deux résultats préalables :

  • La pression diminue quand on s'élève. En effet, la pression n'est que la mesure du poids de la colonne d'air qu'on a au dessus de soi. Plus on est haut, moins il y a d'air, moins c'est lourd, plus faible est la pression.
  • Un gaz se refroidit lorsqu'on baisse sa pression. C'est presque vrai tout le temps. En tout cas, c'est vrai pour un extincteur à dioxyde de carbone (je n'ai pas dit gaz carbonique, il paraît que c'est mal élevé).

    Lorsqu'on ouvre le robinet, le gaz, initialement sous pression à la température ambiante, se refroidit en se détendant au point de se solidifier et de donner de la neige carbonique.
    Pour comprendre le refroidissement de l'atmosphère avec l'altitude, il faut la considérer comme un système dynamique, où l'air est chauffé au contact du sol. Il se dilate, sa densité diminue et il s'élève (merci Archimède). Ce faisant, il se refroidit puisque lors de son ascension sa pression diminue. Ce modèle n'est pas trop faux, et, soumis au calcul, il donne le bon ordre de grandeur pour le refroidissement (6° par km). Ceci n'est vrai que dans la basse atmosphère, où cette circulation se produit normalement. Il peut se produire aussi le phénomène inverse, lorsque la terre froide refroidit l'air à son contact. Cette couche d'air froid n'a pas tendance à s'élever car l'air au dessus d'elle est plus chaud, donc moins dense. Elle reste donc immobile et piège tout ce qui s'y dégage de nauséabond et toxique. C'est l'effet d'inversion de température qui provoque le smog.
    Quand on s'élève suffisamment haut, le refroidissement cesse, et les extrêmes confins de l'atmosphère sont même assez chauds, de l'ordre de 400° vers 200km d'altitude. Et là, c'est bien l'échauffement dû au Soleil qui se fait sentir

  • Il est vrai que la température de l'air diminue avec l'altitude dans la couche de l'atmosphère la plus proche de la terre (la troposphère) : il fait plus froid au sommet d'une montagne. Mais on ne peut en faire une loi générale car la température augmente dans la couche suivante (la stratosphère) puis "rediminue" dans la mésosphère et enfin augmente de nouveau dans la thermosphère jusqu'à des valeurs très élevées (plus de 1 500°)... Ce sont donc les couches les plus proches du soleil qui sont les plus chaudes. Dans la troposphère ou nous vivons la température décroît généralement avec l'altitude (mais ce n'est pas toujours très régulier : il peut y avoir des inversions de température qui empêchent le renouvellement de l'air et provoquent l'accumulation de la pollution au dessus des villes). Dans la troposphère la vapeur d'eau joue un rôle très important dans la régulation de la température car elle absorbe le rayonnement solaire ainsi que le rayonnement thermique émit par la surface de la terre. La température diminue parce que la pression de vapeur d'eau décroît avec l'altitude. Dans la couche suivante, la stratosphère ( de 10 a 50 km au dessus de la surface de la Terre) la température est d'abord constante puis augmente. Là c'est l'ozone, qui joue le rôle principal. L'énergie solaire est convertie en chaleur lorsque les molécules d'ozone absorbent les rayonnements ultra-violets du Soleil.