Pression atmosphérique

La pression atmosphérique est la pression qu'exerce le mélange gazeux constituant l'atmosphère considérée (sur Terre : de l'air) sur une surface quelconque en contact avec elle. Les molécules de ce mélange, animées d'un mouvement aléatoire incessant, l'agitation thermique, subissent des collisions entre elles et contre les surfaces des objets. Les forces d'impact dues aux chocs de ces molécules sur les objets présents dans l'atmosphère résultent en des forces réparties sur la surface de ces objets et qui sont responsables de la pression atmosphérique (forces pressantes des molécules de l'atmosphère par unité de surface).

Plus précisément, la gravité présente sur Terre comprime l'atmosphère vers le sol de telle sorte qu'à chaque niveau, la pression locale ainsi générée soit suffisante pour supporter le poids total de la colonne d'air sus-jacente. La pression atmosphérique au niveau de la mer est en moyenne de  ou . Elle dépend essentiellement de la masse de l'atmosphère, qui, étant distribuée de façon complexe par la circulation atmosphérique globale, fait varier la pression d'un endroit à l'autre.

La pression atmosphérique se mesure à l'aide d'un baromètre, d'un hypsomètre ou d'un altimètre. Elle a été longtemps mesurée en millimètres de mercure (symbole mmHg ; nommé aussi torr, symbole Torr) en raison de l'utilisation courante du baromètre à colonne de mercure.

Depuis l'adoption du pascal dans le Système international d'unités (SI) comme unité de la pression, les météorologues utilisent un multiple de cette unité, l'hectopascal (hPa), qui a l'avantage de correspondre exactement au millibar utilisé auparavant : .

Historique 

En 1638, Galilée écrit Discours et démonstrations mathématiques concernant deux nouvelles sciences, où il décrit diverses expériences, dont une conçue par Aristote qui permet de mettre en évidence le poids de l'air grâce à une bouteille contenant l'air comprimé. Dans son ouvrage, le savant rapporte une observation que les fontainiers de Florence lui ont soumise sur l'impuissance où se trouvent les pompes aspirantes des fontaines à soulever l’eau au-dessus de 10 mètres. Galilée attribue cette impuissance à une cause intrinsèque, l'horreur limitée du vide, en reprenant l'idée aristotélicienne fausse de l'horror vacui (). En 1643, Torricelli, ami et disciple de Galilée, réalise  qui lui permet d'attribuer l'élévation de l'eau à une cause extérieure, la pression atmosphérique, et de mesurer précisément le poids de l'atmosphère. Les expériences des hémisphères de Magdebourg réalisées par Otto von Guericke à partir de 1654 montrent que la pression atmosphérique pousse les deux demi-boules l'une contre l'autre à raison de dix tonnes par mètre carré.

Pression atmosphérique normale 
La pression atmosphérique réellement mesurée varie autour de la pression atmosphérique normale fixée, par définition, comme étant, au « niveau de la mer » (niveau moyen), à la température de , de :
  ;
 soit .

Autres unités hors SI

Dans les anciennes unités du Système CGS, la pression atmosphérique normale vaut :
  ;
  ;
 .

Par définition du millimètre de mercure (mmHg) et du torr (Torr) qui lui est égal, la pression atmosphérique normale vaut exactement  = .

Enfin la pression atmosphérique normale permet elle-même de définir une unité de pression :  = .

À , la vitesse moyenne des molécules d'air à pression atmosphérique normale est d'environ  () ; à , cette vitesse d'agitation atteint  (). Mais à  et à la pression atmosphérique, la distance moyenne entre les molécules est de l'ordre de dix fois le diamètre de ces molécules et le libre parcours moyen de l'ordre de cent fois ce diamètre. Les molécules s'entrechoquent très souvent (chacune subit en moyenne une collision toutes les ), elles ne gardent cette vitesse que sur de très courtes distances).

Variation verticale 
La pression atmosphérique diminue quand l'altitude augmente, car la masse -- et donc le poids -- de l'air sus-jacent diminue nécessairement avec la hauteur, comprimant l'air de moins en moins. La pression diminue, exponentiellement, d'un facteur 10 chaque fois que l'on s'élève de  (ou de moitié à ). Il est ainsi possible d'utiliser la pression pour mesurer la hauteur, ce qui est le principe de base de l'altimètre utilisé en aéronautique et en alpinisme.

En météorologie appliquée, la pression est souvent utilisée directement comme coordonnée verticale. On parlera par exemple de la température à (une « hauteur » de) . Cette approche a des avantages techniques et elle simplifie certaines équations utilisées en météorologie.

Stabilité et instabilité 

En règle générale, la pression atmosphérique diminue de moitié à environ  et la température moyenne de l'atmosphère diminue de  par . Cependant, ce taux n'est valable que pour une atmosphère normalisée et varie en fait selon le contenu en vapeur d'eau et l'altitude. Ces propriétés peuvent être démontrées rigoureusement si l'on fait l'hypothèse que l'atmosphère est en équilibre (bien que cela demeure une excellente approximation, cela n'est pas tout à fait vrai en pratique).

Lorsque le sol est chauffé par le Soleil, par convection, les basses couches de l'atmosphère sont réchauffées et comme l'air chaud est moins dense, l'air réchauffé va avoir tendance à s'élever grâce à la poussée d'Archimède. Si la poche d'air chaud se refroidit moins vite que l'air environnant, cette parcelle d'air va accélérer vers le haut. On est alors en présence d'une masse d'air instable. Dans le cas contraire, l'air en ascension devient plus froid que l'air environnant, le mouvement ascendant va s'interrompre et l'atmosphère est alors stable.

Le taux de refroidissement de la masse d'air en ascension peut être calculé théoriquement, ou sur un diagramme thermodynamique, par rapport à la température de l'environnement donnée par un radiosondage. Ce calcul repose sur l'hypothèse qu'il n'y a pas d'échange calorique avec l'air extérieur et que le taux de changement de température est différent si l'air est saturé ou pas. Dans le premier cas, la vapeur d'eau condensée est retirée de la masse en ascension.

Variation horizontale 

Les météorologues analysent les variations horizontales de la pression atmosphérique pour localiser et suivre les systèmes météorologiques : cela permet de définir les zones de dépressions (D) (pression généralement inférieure à , ), les zones anticycloniques (A) (pression généralement supérieure à , ) et les isobares. Les dépressions et les creux barométriques sont généralement associés au mauvais temps. Les anticyclones et les crêtes barométriques sont quant à eux favorables au beau temps.

La différence de pression entre deux points de même altitude (ou gradient horizontal de pression) est également la plus importante force motrice du vent : des valeurs de  ont été observées dans les cyclones tropicaux les plus violents.

Afin d'utiliser la pression pour suivre les systèmes météo et estimer la force du vent, il est nécessaire de faire concorder des mesures de pression qui ont été prises à différentes altitudes : en mer, dans les vallées, en montagne. Pour ce faire, on soumet les mesures brutes de pression à un ajustement standardisé. La valeur résultant de cet ajustement est appelée pression au niveau de la mer, ou PNM. Si l'on prend par exemple le cas d'une station située à  au-dessus du niveau de la mer, l'ajustement sera effectué en estimant la pression au fond d'un trou fictif, de  de profondeur, qu'on aurait creusé à la station. Plus précisément, la valeur de la PNM est fonction de la pression mesurée à la station et de la température assignée à la colonne d'air fictive. Pour cette dernière on utilise la moyenne de la température actuelle à la station et de celle mesurée douze heures auparavant. La PNM est une approximation d'une grande utilité, mais il faut se garder de lui donner toute la valeur d'une mesure physique exacte, particulièrement en terrain montagneux. La pression atmosphérique mesurée au niveau de la mer varie autour d'une valeur moyenne de .

La pression mesurée au sol est utilisée pour l'étalonnage et la validation des données en provenance d'instruments météorologiques de mesure à distance. Des mesures précises de pression sont ainsi un fondement nécessaire pour l'observation de la Terre et du climat.

Valeurs types 

 Ouragan de classe 5 : pression au centre inférieure à 920 hPa
 Ouragan de classe 4 : pression au centre comprise entre 920 et 944 hPa
 Ouragan de classe 3 : pression au centre comprise entre 945 et 964 hPa
 Ouragan de classe 2 : pression au centre comprise entre 965 et 980 hPa
 Ouragan de classe 1 : pression au centre supérieure à 980 hPa

Valeurs records 
 PNM maximum :
 pour une station à plus de  d'altitude : , à Tosontsengel (Mongolie), le  (mais l'Organisation météorologique mondiale ne reconnaît encore que  au même endroit le ). Cette valeur est obtenue tenant compte de la réduction au niveau de la mer de la pression avec une hypothétique colonne d'air très importante sous la station ;
 pour une station sous  d'altitude : , Agata, Evenhiyskiy, Russie ;
 PNM minimum :
, au large des Philippines, près du centre du typhon Tip, le  ;
 des pressions plus basses encore ont été enregistrées au sein de violentes tornades, mais ces mesures demeurent non officielles ;
 selon une analyse des données d'un satellite météorologique, la pression minimale de  a été estimée le  à  UTC au centre du cyclone Monica, lorsqu'il a frappé au nord de Maningrida, en Australie. Cette mesure est basée sur une variante améliorée de la technique de Dvorak et non une mesure directe, ce qui la rend impossible à prouver. En 2010, Stephen Durden, du Jet Propulsion Laboratory de la NASA, a révisé les données sur le cyclone et a publié un article montrant que la pression centrale ne devait pas avoir été plus basse que 900 à .

Observations et expériences

Expérience du verre retourné 

L'expérience du « verre retourné » ou « verre inversable » consiste à remplir un verre de liquide non gazeux, recouvrir son ouverture d'une feuille de papier cartonné (ou un support équivalent), retourner délicatement le verre puis retirer la main qui maintient le papier. Le liquide reste dans le verre. Cette observation contre-intuitive s'explique de la manière suivante : la pression atmosphérique (environ 1 kg/cm2) et, dans une moindre mesure la tension superficielle, exercent une force verticale ascendante plus importante que le poids du liquide contenu dans le verre et la pression de l'air au fond du verre. Si le support est retiré, le liquide s'échappe bien que la pression atmosphérique exerce la même force ascendante : les forces gravitationnelles (déstabilisantes) prennent le pas sur les forces de tension superficielle (stabilisantes) et déclenchent l'instabilité de Rayleigh-Taylor.

Un corollaire de cette expérience est l'ouverture d'un bocal de confiture, de conserve en verre ou de pot de bébé, rendue difficile par la pression atmosphérique supérieure à la pression de l'air extrêmement faible sous le couvercle. Un autre corollaire est « l'eau bouillant sans feu » avec l'ouverture d'un verre sans pied recouvert d'un mouchoir enfoncé dans l'intérieur de façon qu'il soit en contact avec la surface liquide et rabattu extérieurement autour du verre. Une fois le verre renversé, ramener avec une main le mouchoir jusqu'à ce qu'il se trouve bien tendu sur l'ouverture. On entend alors un bouillonnement et on observe de grosses bulles s'élever à travers l'eau agitée comme si elle bouillait. En tendant le mouchoir, on produit un « vide partiel » à l'intérieur du verre, ce qui entraîne l'air extérieur à traverser les pores du tissu et de l'eau pour combler ce « vide ».

Expérience de l'ascension de l'eau dans une enceinte où un combustible a brûlé 

La combustion d'une allumette ou d'une bougie qui repose sur le fond d'un récipient empli d'eau (assiette, cristallisoir …) et qui est placée sous une enceinte (typiquement un verre), met en évidence la pression atmosphérique. La consommation partielle d'oxygène due à la combustion de la cire de paraffine produit du dioxyde de carbone  et de l'eau , deux produits de réaction qui sont sous forme gazeuse. Le refroidissement du gaz résiduel (contraction thermique) et la condensation de la vapeur d'eau (observable par la formation de buée sur les parois internes de l'enceinte) entraînent une diminution de la pression interne qui devient inférieure à la pression atmosphérique externe. Contrairement aux idées reçues parfois enseignées, c'est principalement ce phénomène qui explique que l'eau est poussée vers l'intérieur du verre par la pression atmosphérique.

Notes et références

Voir aussi

Articles connexes 
 Anticyclone
 Baromètre
 Chemin de fer atmosphérique
 Expérience de Magdebourg
 Hydrostatique
 Tube pneumatique

Liens externes 
 Expériences sur l'air et la pression atmosphérique
 

Atmosphère terrestre
Données et variables météorologiques
Thermodynamique atmosphérique