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Partie I · Comprendre l'air · Chapitre 1

Chapitre 1

Physique de l'atmosphère

Tout le chapitre tient dans une seule question : une bulle d'air qu'on soulève est-elle plus chaude ou plus froide que l'air qui l'entoure ? La réponse décide de tout — la force des thermiques, l'altitude de la base des nuages, le plafond, la pluie et l'orage.

30 min de lecture · 12 figures · 7 illustrations animées

L'essentiel en deux minutes

Prenez une pompe à vélo : comprimez l'air, il chauffe ; laissez-le se détendre, il refroidit. C'est tout le secret de ce chapitre. Une bulle d'air qui s'élève subit une pression de moins en moins forte, donc elle se détend, donc elle se refroidit — toujours au même rythme, 1 °C tous les 100 m. Rien ne peut l'en empêcher : c'est de la physique de pompe à vélo, pas de la météo.

La météo, elle, décide d'une seule chose : la température de l'air que la bulle traverse. Si l'air ambiant refroidit vite avec l'altitude, la bulle reste toujours plus chaude que lui — plus chaude donc plus légère, elle accélère : l'atmosphère est instable, il y a des thermiques. Si l'air ambiant refroidit à peine, la bulle se retrouve vite plus froide que lui : elle retombe, l'atmosphère est stable. Toute la journée de vol se lit dans cette course entre deux refroidissements.

Deuxième secret : la bulle transporte de la vapeur d'eau, invisible. Plus elle refroidit, plus elle s'approche de la température où cette vapeur condense — son point de rosée. Quand elle l'atteint, un cumulus naît. L'écart au sol entre température et point de rosée donne directement la hauteur de la base : environ 120 m par degré d'écart. Et la condensation dégage de la chaleur — le nuage se réchauffe lui-même, ce qui relance la montée : c'est le turbo des cumulus, et le moteur des orages.

Enfin, tout thermique s'arrête un jour : soit l'air ambiant le rattrape en douceur (plafond mou), soit une inversion — une couche où il fait plus chaud en haut qu'en bas — lui pose un couvercle (plafond béton), soit il entre dans son nuage et gagne un sursis. Le randonneur, lui, retient deux nombres du matin : l'écart T − Td, qui dit si les sommets seront dans le nuage, et l'épaisseur prévue des nuages, qui dit s'il va pleuvoir.

1.1Une mince pellicule chauffée par le bas#

Si la Terre était une orange, toute la météo qui nous concerne tiendrait dans l'épaisseur de la peau. Cette couche s'appelle la troposphère. Elle s'étend du sol jusqu'à la tropopause, vers 11 km sous nos latitudes — plus haut à l'équateur (16 à 17 km), plus bas aux pôles (environ 8 km), un peu plus bas l'hiver que l'été. C'est la couche où la température baisse avec l'altitude, où l'eau change d'état, donc la couche des nuages, du vent et de la convection.

Au-dessus, la stratosphère est stable et sèche : la température n'y baisse plus, elle remonte même plus haut. Aucun thermique ne peut y pénétrer durablement. C'est contre ce plafond que s'écrasent les sommets des cumulonimbus, qui s'étalent alors en enclume (fig. 1.1).

Graphique température en abscisse de −75 à +30 °C, altitude en ordonnée de 0 à 16 km. La courbe de l'atmosphère standard part de 15 °C au sol, descend en ligne droite jusqu'à −56 °C à 11 km, puis devient verticale dans la stratosphère grisée. Une ligne en tirets marque la tropopause à 11 km. Une silhouette du Mont Blanc à gauche culmine à 4 808 m ; un pointillé relie son sommet à la courbe à −16 °C. Une flèche orange au sol indique que l'atmosphère est chauffée par le bas. Annotation : −0,65 °C par 100 m en moyenne.
Fig. 1.1 — L'atmosphère standard. La température baisse en moyenne de 0,65 °C tous les 100 m jusqu'à la tropopause, puis cesse de baisser. Sur ce profil moyen, il fait −16 °C au sommet du Mont Blanc ; le profil réel du jour peut s'en écarter de 10 °C ou plus.

Pourquoi il fait plus froid en haut

Une idée fausse et tenace veut qu'il fasse froid en altitude parce qu'on s'éloigne du soleil. En réalité, le rayonnement solaire traverse l'air presque sans le chauffer : c'est le sol qui absorbe l'énergie et qui la rend à l'air, par contact et par rayonnement infrarouge. L'atmosphère est chauffée par le bas, comme une casserole sur le feu. Deux conséquences fondent tout ce livre.

D'abord, la température décroît en moyenne avec l'altitude. Le gradient vertical moyen vaut 0,65 °C / 100 m, soit 6,5 °C par kilomètre. Mais ce n'est qu'une moyenne statistique : le profil réel du jour, la courbe d'état (§ 1.6), s'en écarte constamment, et c'est précisément cet écart qui fait ou défait une journée de vol.

Ensuite, la convection part toujours du sol. Le sol chauffe l'air à son contact, cet air devient moins dense que ses voisins et il monte : c'est le thermique. La météo du vol libre est la science de ce qui arrive ensuite à cette bulle d'air.

Réflexe rando

Comptez 6 à 7 °C de moins pour 1 000 m de dénivelé, souvent davantage par vent : un départ à 18 °C en vallée annonce 10 à 12 °C à 2 500 m, et une sensation bien plus froide sur une crête ventée. La veste chaude n'est pas pour le sommet, elle est pour la pause au sommet.

1.2La pression : le poids de l'air#

La pression en un point, c'est le poids de toute la colonne d'air qui se trouve au-dessus. Au niveau de la mer, cette colonne pèse environ 10 tonnes par mètre carré, ce qui donne la valeur normalisée de 1013,25 hPa. Quand on monte, il reste moins d'air au-dessus de soi : la pression diminue.

Elle ne diminue pas régulièrement. L'air est compressible : les couches du bas, écrasées par le poids de celles du haut, sont plus denses. Imaginez une pile de couettes : celles du bas sont tassées, celles du haut gonflées. Découpez l'atmosphère en six couches de même poids : la première fait 1 500 m d'épaisseur, la cinquième près de 5 km (fig. 1.2).

Deux panneaux. À gauche, une colonne divisée en six couches de même poids : la plus basse, très sombre, va de 0 à 1,5 km ; les suivantes s'épaississent vers le haut (1,5 à 3,3 km, 3,3 à 5,5 km, 5,5 à 8,4 km, 8,4 à 12,9 km), la dernière, en tirets, monte au-delà de 30 km. À droite, la pression en fonction de l'altitude : une courbe qui part de 1 013 hPa au sol et décroît de plus en plus lentement. Points repères : 850 hPa vers 1 500 m, 700 hPa vers 3 000 m, 500 hPa vers 5 500 m où la moitié de l'air est dessous, 300 hPa vers 9 000 m au niveau du courant-jet. Mention : près du sol, −1 hPa tous les 8 m.
Fig. 1.2 — La pression chute vite près du sol puis de moins en moins. La moitié de la masse de l'atmosphère se trouve sous 5 500 m : au sommet du Mont Blanc, vous avez déjà laissé sous vos pieds près de 45 % de l'air.

Près du sol, on perd environ 1 hPa tous les 8 m ; vers 2 000 m, plutôt 1 hPa tous les 10 m. La pression est divisée par deux vers 5 500 m. C'est pourquoi les météorologues décrivent l'altitude par des niveaux de pression, que vous retrouverez sur toutes les cartes et tous les sondages :

NiveauAltitude approchéeCe qu'on y regarde
850 hPa≈ 1 500 mL'air « libre », juste au-dessus des effets du sol : température, humidité, vent des basses couches.
700 hPa≈ 3 000 mL'étage des crêtes alpines : vent sur les sommets, humidité moyenne.
500 hPa≈ 5 500 mLe niveau qui pilote les perturbations ; air froid en altitude = instabilité.
300 hPa≈ 9 000 mLe courant-jet.

Ces altitudes varient de quelques dizaines à quelques centaines de mètres selon la température de l'air : une colonne chaude est plus épaisse qu'une colonne froide. C'est même une information précieuse, exploitée au chapitre 5.

L'altimètre est un baromètre

Votre altimètre de montre, de GPS ou de sellette ne mesure pas l'altitude : il mesure la pression et la convertit en altitude selon l'atmosphère standard. Si la pression baisse de 5 hPa pendant la nuit parce qu'une dépression approche, l'altimètre « monte » d'une cinquantaine de mètres sans que vous ayez bougé.

En vol

Calez l'altimètre sur l'altitude connue du déco juste avant de décoller (c'est le calage QNH du jour), et pas la veille. Une erreur de 50 m au plafond n'a guère d'importance ; en revanche, en espace aérien plafonné, elle compte, et en arrivant sur un atterro de montagne au ras des arbres, un altimètre mal calé trompe.

Réflexe rando

Au refuge, notez l'altitude affichée le soir et comparez au réveil. Si la montre indique 40 à 60 m de plus alors que vous avez dormi au même endroit, la pression a baissé de 4 à 6 hPa : signe classique d'une dégradation qui arrive. Une hausse de l'altitude affichée qui continue pendant la matinée est un argument de plus pour écourter.

1.3L'humidité et le point de rosée#

L'air contient toujours de la vapeur d'eau, un gaz invisible. La quantité maximale qu'il peut en porter dépend presque uniquement de sa température, et de façon très non linéaire. Un kilogramme d'air à 30 °C peut contenir environ 27 g de vapeur ; à 10 °C, seulement 7,6 g ; à −10 °C, à peine 1,8 g. Tous les 10 °C environ, la capacité double (fig. 1.3).

Graphique avec la température de l'air en abscisse de −20 à 35 °C et la vapeur d'eau en grammes par kilogramme d'air en ordonnée. Une courbe bleue en forme d'exponentielle marque le maximum que l'air peut porter : 1,8 g à −10 °C, 7,6 g à 10 °C, 27 g à 30 °C. Au-dessus de la courbe, la mention « impossible, l'eau condense ». Un carré noir représente un air à 25 °C contenant 10 g/kg ; une flèche horizontale vers la gauche figure son refroidissement ; elle rencontre la courbe à 14 °C, marqué d'un rond blanc : c'est son point de rosée.
Fig. 1.3 — La capacité de l'air en vapeur d'eau double à peu près tous les 10 °C. Refroidir un air sans changer son contenu en eau le rapproche de la courbe : quand il la touche, il sature. La température de ce point de contact est le point de rosée.

Retenez l'image : refroidir de l'air humide, c'est le pousser inexorablement vers la saturation. Le brouillard du matin, la rosée sur la tente, le cumulus de midi et la buée sur vos lunettes sont le même phénomène.

Trois grandeurs décrivent l'humidité, et il faut les distinguer rigoureusement :

GrandeurDéfinitionCe qu'elle mesure vraiment
Humidité relative (HR, %) Rapport entre la vapeur présente et le maximum possible à cette température. La proximité de la saturation, pas la quantité d'eau. Elle monte quand l'air refroidit, à contenu d'eau constant.
Point de rosée (Td, °C) Température à laquelle il faudrait refroidir l'air pour qu'il sature. La quantité de vapeur. Il ne change pas quand l'air se réchauffe ou se refroidit sans gagner ni perdre d'eau.
Rapport de mélange (r, g/kg) Masse de vapeur par kilogramme d'air sec. La même information que Td, sous une autre forme. Il se conserve dans une bulle qui monte tant qu'elle ne condense pas.

C'est pour cela que les météorologues raisonnent en Td, et non en HR : dire « HR = 60 % » ne dit rien tant qu'on ne connaît pas la température ; dire « Td = 14 °C » fixe la quantité d'eau une fois pour toutes. L'écart T − Td, appelé déficit de saturation, est la grandeur opérationnelle : il mesure de combien il faut refroidir l'air pour fabriquer un nuage.

L'humidité relative fait le yoyo

Au fil d'une belle journée, l'air de la vallée ne gagne ni ne perd beaucoup d'eau : Td bouge à peine. La température, elle, monte de 10 à 15 °C entre l'aube et le milieu de l'après-midi. Résultat : l'humidité relative chute de près de 100 % au petit matin à 40 % ou moins vers 15 h, puis remonte le soir (fig. 1.4).

Deux graphiques superposés sur 24 heures. En haut, la température (trait noir) passe d'environ 9 °C à 5 h à 25 °C vers 15 h, puis redescend ; le point de rosée (tirets bleus) reste presque plat vers 9 à 10 °C ; l'écart entre les deux est coloré. Mentions : à l'aube T ≈ Td, rosée, brume ; vers 15 h, écart 15 °C, base vers 1 800 m. En bas, l'humidité relative (trait vert) culmine vers 95 % à l'aube et descend vers 40 % à 15 h, avec la mention « la même eau, dans un air plus chaud ».
Fig. 1.4 — Une journée d'été en vallée. Le point de rosée reste presque constant ; l'humidité relative suit l'inverse de la température. L'écart T − Td, lui, grandit tout le matin : la base des cumulus monte avec lui.

Piège

Un matin à 95 % d'humidité relative n'annonce pas une journée humide : l'air froid de la nuit sature avec très peu d'eau. C'est le Td qu'il faut regarder. Un Td élevé — plus de 15 °C en plaine l'été, plus de 10 °C vers 1 500 m — signifie beaucoup d'eau disponible : bases basses et forte énergie orageuse potentielle.

1.4La bulle et la pompe à vélo#

Pour raisonner, on suit une particule (ou parcelle) d'air : une bulle imaginaire qui monte sans se mélanger à l'air environnant et sans échanger de chaleur avec lui. C'est une idéalisation — on verra ses limites — mais elle est d'une puissance de prévision remarquable.

Quand la bulle monte, la pression autour d'elle diminue : elle se détend, comme l'air qui s'échappe d'une valve. En se détendant, elle repousse l'air qui l'entoure, et ce travail puise dans sa propre énergie : elle se refroidit. Inversement, l'air comprimé dans une pompe à vélo chauffe. Cette transformation sans échange de chaleur s'appelle adiabatique. Le refroidissement ne doit rien au contact avec de l'air plus froid : il est purement mécanique, et son rythme est une constante physique (fig. 1.5).

Schéma vertical de 0 à 2 800 m au-dessus du sol. Une bulle orange part du sol à 25 °C, puis, de plus en plus grosse en montant, passe à 19 °C vers 600 m et atteint 11 °C à la base d'un cumulus vers 1 400 m. À l'intérieur du nuage, une flèche en pointillé conduit à une bulle à 6 °C vers 2 400 m. Accolade du bas : air non saturé, −1 °C / 100 m, adiabatique sèche. Accolade du haut : dans le nuage, environ −0,5 à −0,6 °C / 100 m, adiabatique saturée. Mention à droite de la base : la bulle a atteint son point de rosée. Mention à gauche : la bulle gonfle, elle se détend.
Fig. 1.5 — Une bulle qui monte se détend et se refroidit de 1 °C tous les 100 m tant qu'elle n'est pas saturée. Dans le nuage, la condensation lui rend de la chaleur : elle ne perd plus qu'environ 0,5 à 0,6 °C tous les 100 m.

Les deux rails

Adiabatique sèche — tant que l'air n'est pas saturé−1,0 °C / 100 m
Adiabatique saturée (pseudo-adiabatique) — dans le nuage−0,4 à −0,8 °C / 100 m
(retenir ≈ −0,55)

Pourquoi ?

Pourquoi le rail saturé est-il moins pentu ? Parce qu'au moment où la vapeur condense en gouttelettes, elle rend la chaleur qu'il avait fallu pour l'évaporer : la chaleur latente, environ 2 500 J par gramme d'eau. Cette chaleur restituée compense une partie du refroidissement de détente. Le taux saturé n'est d'ailleurs pas constant : dans un air chaud et très humide, beaucoup d'eau condense et il descend vers 0,4 °C / 100 m ; dans l'air froid d'altitude, il reste peu d'eau à condenser et il rejoint peu à peu le taux sec.

Un dernier détail a son importance. Le point de rosée de la bulle baisse lui aussi un peu en montant, d'environ 0,2 °C / 100 m, parce que la détente dilue sa vapeur. Sa température et son point de rosée se rapprochent donc de 1,0 − 0,2 = 0,8 °C tous les 100 m. Retenez ce chiffre : il donne, dans un instant, l'altitude des nuages.

1.5La base des cumulus#

Une bulle partie du sol avec un écart T − Td de 11 °C rattrape son point de rosée après 11 / 0,8 ≈ 14 tranches de 100 m, soit environ 1 350 m plus haut. À cette altitude, elle sature : c'est le niveau de condensation, la base plate du cumulus. Toutes les bulles d'un même endroit ont à peu près le même départ : elles condensent toutes à la même hauteur, d'où cette base horizontale si caractéristique (fig. 1.6).

Graphique température de 5 à 44 °C en abscisse, hauteur au-dessus du sol de 0 à 2 600 m en ordonnée. Une droite orange part de T = 25 °C au sol et monte vers la gauche à −1 °C par 100 m ; une droite verte tiret-point part de Td = 14 °C et monte presque verticalement à −0,2 °C par 100 m. Elles se rejoignent à 1 375 m, où un cumulus est posé, et une ligne en tirets marque la base : 11 × 122 ≈ 1 350 m. Une double flèche au sol indique l'écart de 11 °C. À droite, une montagne de 2 000 m dépasse la base, avec la mention « sommet au-dessus de la base ».
Fig. 1.6 — La base des cumulus se calcule de tête. Température et point de rosée de la bulle se rapprochent de 0,8 °C tous les 100 m ; leur rencontre est la base. Un écart de 11 °C au sol donne une base vers 1 350 m au-dessus du sol.

Base des cumulus (formule de Hennig)

Hauteur de la base au-dessus du point de mesure≈ 122 m × (T − Td)
Exemple : T 25 °C, Td 14 °C122 × 11 ≈ 1 340 m
Règle de poche≈ 120 m par degré d'écart

Trois précautions d'emploi. La formule donne une hauteur au-dessus de la station : ajoutez son altitude. Elle vaut pour des valeurs mesurées sous abri, quand le soleil a déjà chauffé : un écart pris à 7 h sous-estime largement la base de l'après-midi. Enfin, elle suppose que l'air est bien brassé du sol à la base, ce qui est le cas dès que les thermiques fonctionnent.

En vol

La base des cumulus est le plafond utile du jour : on n'y entre pas. Prenez la température et le point de rosée prévus pour 14–15 h dans la vallée, appliquez la formule, ajoutez l'altitude de la station, puis retranchez l'altitude du déco : vous obtenez le gain possible. Une base à 2 800 m au-dessus d'un déco à 1 900 m, c'est 900 m de marge : de quoi transiter. Une base à 2 100 m, c'est une journée de « gratte » sous les nuages.

Réflexe rando

Base calculée sous l'altitude de votre sommet ? Il sera dans le nuage une partie de l'après-midi dès que les cumulus se forment, même si le ciel est bleu à 8 h. Comme la base monte le matin, un sommet bouché à 9 h se dégage souvent vers midi, et l'inverse arrive en fin de journée quand l'air refroidit. Un écart T − Td inférieur à 3 ou 4 °C dès le matin, avec un flux d'ouest humide, annonce une journée à crêtes bouchées.

Piège

La formule ne s'applique qu'aux nuages convectifs. Sur un versant exposé à un flux humide, l'air soulevé de force condense bien plus bas que la base des cumulus : c'est le nuage accroché du prélude (fig. P.10). Et sous une inversion basse, les cumulus n'atteignent jamais leur base théorique.

1.6Stable ou instable : la course des deux refroidissements#

Les adiabatiques décrivent ce que ferait une bulle qu'on soulève. Reste à savoir ce qu'elle rencontre en chemin : le profil réel de température de l'atmosphère ce jour-là, mesuré par radiosondage ou calculé par les modèles. C'est la courbe d'état. Elle n'obéit à aucun rail : elle est le résultat de toute l'histoire de la masse d'air — réchauffement du sol, refroidissement nocturne, air qui descend sous un anticyclone, air chaud ou froid apporté par le vent…

Le verdict tient dans une comparaison de pentes. Soulevez mentalement une bulle de 100 m : elle perd 1 °C. Et l'air ambiant, 100 m plus haut, est-il plus froid ou moins froid qu'elle ? (fig. 1.7)

Trois graphiques température-altitude de 0 à 2 500 m, partant tous de 20 °C au sol. Le trait noir est l'air ambiant, le trait orange la bulle qui perd 1 °C par 100 m. Instable : l'air ambiant perd 1,25 °C par 100 m, il est à gauche de la bulle, qui reste plus chaude et accélère vers le haut. Conditionnel : l'air ambiant perd 0,8 °C par 100 m ; la bulle sèche (trait plein) devient plus froide et retombe, la bulle saturée (pointillé, 0,55 °C par 100 m) devient plus chaude et monte. Stable : l'air ambiant ne perd que 0,4 °C par 100 m, il est à droite de la bulle, qui devient plus froide et retombe.
Fig. 1.7 — Tout se joue dans la comparaison des pentes. Si l'air ambiant refroidit plus vite que la bulle, elle reste plus chaude et accélère. S'il refroidit moins vite, elle devient plus froide et retombe. Entre les deux rails, tout dépend de la saturation.
Gradient de la courbe d'étatSituationCe que cela donne
plus de 1 °C / 100 mInstabilité absolue : la bulle reste toujours plus chaude.Convection dès le moindre déclenchement. Rare en couche épaisse, fréquent dans les premières dizaines de mètres au-dessus d'un sol surchauffé.
entre 0,55 et 1 °C / 100 mInstabilité conditionnelle : stable pour une bulle sèche, instable pour une bulle saturée.Le cas général des belles journées. La condition, c'est la condensation : le nuage libère l'énergie.
moins de 0,55 °C / 100 mStabilité absolue : la bulle soulevée est toujours plus froide.Toute ascendance est freinée puis annulée. Air laminaire, nappes, brumes.
température qui augmente avec l'altitudeInversionUn couvercle : rien ne passe tant que la convection ne l'a pas érodé.

De l'écart de température à la vitesse verticale

Une bulle plus chaude que son environnement est plus légère : elle subit une poussée vers le haut proportionnelle à l'écart de température. Un écart de 1 °C donne une accélération d'environ 0,03 m/s² — trois centièmes de la pesanteur. C'est modeste, mais appliqué sur 1 000 m de montée, cela suffirait en théorie à atteindre 6 à 8 m/s.

Si les thermiques réels plafonnent plutôt entre 1 et 4 m/s, avec des pointes à 5 à 8 m/s dans les grandes journées alpines, c'est à cause de l'entraînement : le thermique aspire sur ses bords de l'air ambiant plus froid et plus sec, qui dilue son excès de chaleur, et il frotte contre l'air immobile. Plus un thermique est étroit, plus il est dilué. Un thermique large et bien alimenté est protégé en son cœur : il monte plus fort et plus haut.

En vol

Un thermique large et régulier, qui se centre facilement, vient d'une grande source et ira haut ; une petite bulle étroite et hachée s'essoufflera vite. Et plus la courbe d'état du jour est pentue dans les basses couches, plus l'écart de température se maintient en montant : journée « musclée ». Une courbe d'état presque verticale signe une journée molle, où l'on gratte.

1.7Les inversions : un couvercle sur la vallée#

Une inversion est une couche où la température augmente avec l'altitude. C'est la stabilité poussée à l'extrême : une bulle qui y entre devient aussitôt plus froide que son entourage et retombe. Trois mécanismes en fabriquent, avec des signatures différentes (fig. 1.8).

Trois graphiques température-altitude de 0 à 3 000 m, avec la température en trait noir et le point de rosée en tirets bleus ; chaque inversion est surlignée en rose pâle. Rayonnement : la température passe de 4 °C au sol à 11 °C à 250 m puis redescend ; le point de rosée est proche de la température au sol ; mention « nuit claire, air calme : le sol se refroidit ». Subsidence : la température baisse normalement jusqu'à 1 600 m, remonte de 4 °C jusqu'à 1 800 m, puis redescend ; le point de rosée chute brutalement au-dessus, mention « air très sec au-dessus » et « anticyclone : l'air descend et se réchauffe ». Frontale : la température baisse jusqu'à 1 000 m puis remonte jusqu'à 1 400 m ; le point de rosée colle à la température, mention « zone humide : brume, stratus » et « air chaud posé sur de l'air froid ».
Fig. 1.8 — Trois façons de poser un couvercle. Le point de rosée aide à les distinguer : il colle à la température au sol, à la base de l'inversion de rayonnement (brume, brouillard au fond de la vallée), et dans l'inversion frontale ; il plonge au-dessus d'une inversion de subsidence.

L'inversion de rayonnement naît au sol les nuits claires et calmes. Le sol rayonne sa chaleur vers l'espace, se refroidit, et refroidit l'air à son contact. L'air froid, lourd, s'écoule et s'accumule dans les fonds de vallée, sur quelques dizaines à quelques centaines de mètres d'épaisseur. Au petit matin, le fond de vallée peut être 5 à 10 °C plus froid qu'un versant situé 300 m plus haut. Le soleil l'érode par le bas en milieu de matinée : c'est elle qui retarde les premiers thermiques.

L'inversion de subsidence naît sous les anticyclones. L'air y descend lentement, sur des centaines de kilomètres ; en descendant, il se comprime et se réchauffe de 1 °C tous les 100 m (la pompe à vélo, dans l'autre sens), et il s'assèche. Il finit par se poser, chaud et sec, sur l'air plus frais des basses couches, souvent entre 1 000 et 3 000 m. C'est le couvercle des longues périodes de beau temps : ciel bleu, brume sèche sous l'inversion, plafond bridé qui change peu d'un jour à l'autre et peut même s'abaisser jour après jour quand l'anticyclone vieillit (§ 3.7).

L'inversion frontale naît quand de l'air chaud glisse au-dessus d'air plus froid, à l'avant d'un front chaud (chapitre 4). Elle est souvent humide : stratus, brume ou bruine dans la couche froide, nuages en nappe au-dessus.

En vol

Une inversion se sent : le thermique devient haché, la voile secoue, le vario hésite, puis l'ascendance s'éteint net. Au-dessus, l'air est souvent plus lisse, parfois avec un vent différent. Sous une inversion de subsidence, la brume dessine une ligne horizontale très nette, visible de loin : c'est le plafond du jour. Le matin, au déco, une inversion de rayonnement encore en place dans la vallée signifie des thermiques tardifs et faibles en bas : partir trop tôt, c'est souvent faire un « plouf ».

Réflexe rando

Par anticyclone d'hiver, il fait parfois plus doux à 1 500 m qu'au village. Le brouillard ou la grisaille de vallée ne disent rien du temps en altitude : la mer de nuages du prélude n'est qu'une inversion rendue visible.

1.8La méthode de la parcelle#

Tout ce qui précède se résume sur un seul graphique, l'émagramme, où l'on superpose la courbe d'état du jour et les rails adiabatiques. Sur le document réel, les températures sont tracées en oblique et l'altitude en pression ; pour comprendre, on peut le « redresser » en axes température / altitude sans rien perdre de la méthode (fig. 1.9). Le chapitre 2 vous apprendra à lire les vrais.

Émagramme redressé : température de −10 à 30 °C en abscisse, altitude de 0 à 4 000 m en ordonnée, avec en fond des rails orange pâles pleins (adiabatiques sèches) et pointillés (saturées). La courbe d'état noire part de 25 °C au sol, suit à peu près l'adiabatique sèche jusqu'à 1 375 m, puis décroît moins vite, présente une inversion entre 2 800 et 3 000 m, puis redécroît. Le point de rosée de l'air ambiant (tirets bleus) part de 14 °C et s'écarte vers la gauche. Depuis Tmax, la bulle suit l'adiabatique sèche (orange) ; depuis Td, la ligne de rapport de mélange (vert tiret-point) monte presque verticalement ; elles se croisent à 1 375 m : la base. Au-dessus, la bulle suit l'adiabatique saturée en pointillé, plus chaude que l'air ambiant (zone colorée), jusqu'à recroiser la courbe d'état sous l'inversion vers 2 900 m : le sommet. Épaisseur environ 1 500 m, cumulus sages.
Fig. 1.9 — La méthode de la parcelle. Sous la base, la bulle et l'air brassé par les thermiques se confondent. Au-dessus, l'écart horizontal entre la bulle et la courbe d'état, coloré, est l'excès de température : la force de l'ascendance à chaque altitude.

Partir de la température maximale prévue au sol

Monter le long de l'adiabatique sèche (−1 °C / 100 m).

Partir du point de rosée au sol

Monter le long de la ligne de rapport de mélange constant (−0,2 °C / 100 m, presque verticale).

Leur croisement donne la base des cumulus

C'est le niveau de condensation, le même qu'au § 1.5.

Au-dessus, suivre l'adiabatique saturée

Jusqu'à ce qu'elle recroise la courbe d'état : c'est le sommet des nuages.

Sinon, journée bleue

Si l'adiabatique sèche recoupe la courbe d'état avant d'atteindre la base, il n'y aura pas de nuage : thermiques purs, et ce croisement est le plafond.

Deux grandeurs résument le diagramme. L'aire où la bulle est plus chaude que l'air ambiant mesure l'énergie disponible pour la convection : la CAPE, en joules par kilogramme. L'aire où elle est plus froide — typiquement dans l'inversion du matin — mesure l'énergie à fournir pour percer le couvercle : la CIN. Une forte CAPE sous une CIN qui tient jusqu'en milieu de journée, c'est le scénario de l'explosion orageuse de fin d'après-midi : tout l'après-midi, l'énergie s'accumule sous le couvercle, puis tout part d'un coup.

Enfin, la température de déclenchement est la température au sol à partir de laquelle l'adiabatique sèche issue du sol perce l'inversion nocturne. Comparez-la à la montée prévue de la température dans la matinée : vous obtenez l'heure des premiers thermiques utilisables. Et la marge entre la température maximale et la température de déclenchement dit si la journée sera généreuse ou poussive.

1.9Où s'arrête le thermique : plafond mou, plafond béton#

Une ascendance s'arrête quand la bulle cesse d'être plus chaude que l'air ambiant. Trois façons d'y arriver, aux signatures très différentes en vol (fig. 1.10).

Trois graphiques température-altitude de 0 à 3 500 m, air ambiant en noir, bulle en orange, excès de la bulle coloré. Plafond mou : l'air ambiant refroidit de moins en moins vite en montant ; l'écart coloré entre bulle et air s'amincit progressivement et s'annule vers 1 950 m ; mention « l'écart fond peu à peu : thermiques qui mollissent ». Plafond béton : la bulle reste nettement plus chaude jusqu'à 1 600 m, puis une inversion surlignée en rose arrête net la montée vers 1 670 m ; mention « inversion : arrêt net, souvent turbulent ». Sursis dans le nuage : la bulle sature à 1 250 m, sous un petit cumulus, et suit au-dessus l'adiabatique saturée en pointillé, de plus en plus chaude que l'air ambiant jusqu'à 3 200 m ; mention « la condensation relance la montée ».
Fig. 1.10 — Trois façons de s'arrêter. ① L'écart fond peu à peu : le thermique mollit à l'approche du plafond. ② L'inversion coupe l'écart en quelques dizaines de mètres. ③ Au-dessus de la base, le rail saturé redonne l'avantage à la bulle : le nuage monte bien au-delà du plafond « sec ».

Le plafond mou est celui des journées sans couvercle marqué : l'air ambiant refroidit de moins en moins vite avec l'altitude, l'excès de la bulle fond progressivement. En vol, le thermique s'élargit, faiblit, devient difficile à centrer ; on gagne encore quelques dizaines de mètres en s'appliquant, puis plus rien.

Le plafond béton est celui des inversions : l'excès disparaît en quelques dizaines de mètres. Le thermique monte bien jusqu'au bout, puis s'arrête net, souvent dans une zone hachée où la voile est secouée. Les cumulus, s'il y en a, s'étalent dessous.

Le sursis dans le nuage vient de la chaleur latente : au-dessus de la base, la bulle saturée ne perd plus que 0,5 à 0,6 °C par 100 m. Si l'air ambiant refroidit plus vite que cela, elle redevient de plus en plus chaude : le nuage monte, et parfois très haut. C'est l'instabilité conditionnelle du § 1.6, et c'est elle qui transforme un cumulus en congestus, puis en cumulonimbus.

Deux nuances pratiques. D'abord l'entraînement : le plafond de l'émagramme est celui de la bulle idéale ; les thermiques réels, dilués, plafonnent souvent un peu plus bas, et seuls les plus vigoureux touchent le plafond théorique. Ensuite, le plafond n'est pas fixe : il monte au fil de la journée, à mesure que la convection réchauffe la couche et grignote les inversions par le bas. Le plafond de 12 h n'est pas celui de 15 h.

En vol

Sous un plafond béton, inutile d'insister : quand le vario s'effondre à la même altitude dans trois thermiques de suite, vous avez trouvé le couvercle, transitez. Sous une base de cumulus qui aspire, en revanche, le danger est inverse : l'ascendance s'accélère en approchant du nuage. Gardez une marge de 150 à 300 m sous la base, et quittez le thermique par le côté avant d'être happé.

1.10La chaleur latente, moteur caché#

L'eau est le grand transporteur de chaleur de l'atmosphère (fig. 1.11). Pour s'évaporer, elle emprunte de la chaleur à ce qui l'entoure : c'est pourquoi la sueur vous rafraîchit et pourquoi un sol humide chauffe moins qu'une pierraille sèche. Une fois dans l'air, la vapeur voyage, invisible, avec les thermiques. Quand elle condense, elle rend exactement la chaleur empruntée, environ 2 500 J par gramme d'eau.

Schéma en cinq étapes. ① Au sol, à gauche, un lac sous le soleil ; des lignes ondulées bleues montent : évaporation, l'eau emprunte de la chaleur. ② Une longue flèche orange monte vers un cumulus : la vapeur monte, invisible. ③ Dans le cumulus : condensation, la chaleur est rendue ; en haut, la mention « le nuage se chauffe lui-même, il monte plus fort ». ④ À droite, un nuage bien plus épais que le cumulus, bourgeonnant en tour (un congestus), laisse tomber une pluie : pluie. ⑤ À côté, une flèche bleue en tirets descend puis file au ras du sol : sous l'averse, l'eau qui s'évapore refroidit l'air, il plonge. Au centre : environ 2 500 J par gramme d'eau, dans les deux sens.
Fig. 1.11 — L'eau transporte la chaleur du sol vers le nuage. La même chaleur latente qui fait monter le nuage fait plonger l'air sous l'averse, quand la pluie s'évapore en tombant : c'est l'origine des rafales sous les averses et les orages.

Un ordre de grandeur rend l'effet concret : condenser 1 gramme d'eau dans un kilogramme d'air le réchauffe d'environ 2,5 °C. Une bulle d'air humide qui fabrique quelques grammes de gouttelettes en traversant son nuage reçoit ainsi plusieurs degrés de chauffage gratuit. Le nuage est une machine thermique qui se chauffe en fabriquant ses gouttelettes : c'est le carburant des cumulonimbus, et la raison pour laquelle un thermique reprend de la vigueur en entrant dans son nuage.

La machine fonctionne aussi à l'envers. Quand la pluie tombe dans un air sec, une partie s'évapore en route et refroidit l'air qu'elle traverse. Cet air refroidi, plus lourd, plonge vers le sol et s'étale en rafales. Plus l'air sous la base est sec, plus l'effet est violent : les orages à base haute, sur fond d'air sec, sont ceux des rafales les plus brutales.

En vol

Deux conséquences directes. Sous une base de cumulus humide et chargée, l'aspiration peut devenir très forte : la chaleur latente accélère l'air dans le nuage et sous lui. Et sous une averse ou une virga, attendez-vous à de la descendance et à un vent qui forcit et tourne au sol : c'est le pire endroit pour un atterrissage.

Réflexe rando

Le coup de vent froid qui précède l'averse d'orage est cet air refroidi par l'évaporation qui s'étale au sol. Quand il arrive, la pluie suit dans les minutes qui viennent. Et un vêtement mouillé de sueur ou de pluie vous refroidit par le même mécanisme : à la pause au sommet, il faut se changer ou se couvrir avant d'avoir froid.

1.11L'épaisseur qui précipite#

Tous les nuages contiennent de l'eau, mais très peu donnent de la pluie. Les gouttelettes d'un cumulus mesurent quelques centièmes de millimètre : elles flottent. Pour faire une goutte de pluie, il faut en réunir un million, et cela demande du temps et de l'épaisseur. Aux latitudes moyennes, le moyen le plus efficace passe par la glace : dans la partie du nuage plus froide que −10 °C environ, les cristaux de glace grossissent aux dépens des gouttelettes, puis tombent et fondent en traversant l'isotherme 0 °C (fig. 1.12).

Coupe verticale de 0 à 12,5 km. Une ligne bleue en tirets marque l'isotherme 0 °C vers 3,6 km (3 500 à 4 000 m l'été) ; une ligne bleue pointillée marque −10 °C vers 5,3 km, où la glace apparaît. Trois nuages ont la même base vers 1,5 km. À gauche, un cumulus d'environ 1 km d'épaisseur : pas de pluie. Au centre, un congestus d'environ 3 km, dont le sommet dépasse nettement l'isotherme 0 °C, avec une pluie légère en tirets : averses possibles. À droite, un cumulonimbus de 8 à 10 km jusqu'à une enclume vers 11 km, avec une pluie dense : orage, grêle.
Fig. 1.12 — L'épaisseur du nuage décide de la pluie. Un cumulus d'un kilomètre ne pleut pas ; un congestus dont le sommet dépasse nettement l'isotherme 0 °C peut donner des averses ; le cumulonimbus, qui monte au cœur de l'air glacé, donne pluie forte, grêle et foudre.

D'où une règle de terrain, à manier comme un ordre de grandeur : un nuage convectif de moins de 1 500 à 2 000 m d'épaisseur ne précipite pratiquement jamais ; au-delà de 3 000 m, surtout si son sommet est plus froid que −10 °C, des averses deviennent probables ; un cumulonimbus de 8 à 10 km d'épaisseur, c'est l'orage. L'épaisseur se lit sur l'émagramme (sommet − base, § 1.8) et elle est fournie directement par la plupart des sites de prévision pour le vol libre.

La pluie stratiforme — celle des fronts, qui dure des heures sur des régions entières — obéit à la même physique, mais dans des nappes épaisses soulevées lentement sur des centaines de kilomètres : c'est l'affaire du chapitre 4.

Deux questions du randonneur, une réponse chiffrée

« Vais-je marcher dans le nuage ? » La base des nuages convectifs, c'est le niveau de condensation : base ≈ altitude de la vallée + 122 × (T − Td). Comparez ce chiffre à l'altitude de votre itinéraire, en gardant en tête que la base monte au fil de la matinée, que les versants au vent d'un flux humide accrochent des nuages plus bas que le calcul, et qu'un écart T − Td de moins de 4 °C dès le matin promet des sommets bouchés.

« Va-t-il pleuvoir ? » Pour la pluie convective, regardez l'épaisseur prévue des nuages et l'altitude de l'isotherme 0 °C. Des cumulus de 1 000 m sous un 0 °C à 4 000 m : rien. Des nuages de 3 000 m ou plus dont le sommet monte au-dessus du 0 °C : averses possibles l'après-midi. Si, en plus, la CAPE est forte et l'air humide en altitude, le risque d'orage est réel ; en montagne, il se décide tôt, et le chapitre 9 en détaille les signes.

Réflexe rando

Le matin, deux nombres font le premier tri : T − Td (où sera la base ?) et l'épaisseur prévue des nuages (vont-ils précipiter ?). Les sites de prévision pour le vol libre donnent les deux ; le chapitre 2 vous apprend à les lire sur un sondage.

1.12Exercices#

À vous — La base de l'après-midi

La station de la vallée, à 700 m, prévoit pour 15 h une température de 28 °C et un point de rosée de 12 °C. Le déco est à 1 900 m, et vous projetez une randonnée vers un sommet à 2 800 m. À quelle altitude attendre la base des cumulus ? Quelle marge pour le pilote ? Le randonneur sera-t-il dans le nuage ?

Voir la réponse

Écart 28 − 12 = 16 °C, soit 16 × 122 ≈ 1 950 m au-dessus de la station : base vers 700 + 1 950 ≈ 2 650 m. Le pilote dispose d'environ 750 m de gain au-dessus du déco, une journée correcte. Le sommet à 2 800 m dépasse la base de 150 m : quand un cumulus se forme dessus, il sera dans le nuage, par intermittence. Le matin, avec un écart plus faible, la base sera plus basse encore.

À vous — Stable ou instable ?

Le sondage prévu indique, entre 1 500 et 2 500 m, une température qui passe de 14 °C à 8 °C. Une bulle non saturée part de 1 500 m à 15 °C. Arrivée à 2 500 m, est-elle plus chaude ou plus froide que l'air ambiant ? Que se passe-t-il si elle était saturée dès 1 500 m ?

Voir la réponse

L'air ambiant perd 6 °C en 1 000 m, soit 0,6 °C / 100 m. La bulle sèche perd 10 °C : elle arrive à 5 °C, plus froide que l'air (8 °C) — la couche est stable pour elle, le thermique s'éteint en route. Saturée, elle perdrait environ 5,5 °C et arriverait vers 9,5 °C, plus chaude que l'air : la couche est faiblement instable pour l'air nuageux. C'est l'instabilité conditionnelle, avec un excès modeste : nuages qui grandissent lentement.

À vous — L'altimètre du refuge

Au refuge, à 2 400 m, votre montre indiquait 2 400 m à 21 h. À 6 h, elle indique 2 465 m. Que s'est-il passé, et qu'en déduisez-vous ?

Voir la réponse

Vous n'avez pas bougé : c'est la pression qui a baissé. À cette altitude, 1 hPa vaut environ 10 m : la baisse est d'environ 6 hPa en 9 heures, ce qui est notable. Une perturbation approche probablement. Consultez la prévision, regardez le ciel (cirrus, halo, altostratus ?) et prévoyez un objectif plus court ou un retour avancé.

À vous — Va-t-il pleuvoir ?

Prévision pour l'après-midi : base des cumulus à 2 200 m, sommets à 5 500 m, isotherme 0 °C à 3 800 m. Une journée de vol et une course d'arête sont prévues. Votre analyse ?

Voir la réponse

Épaisseur prévue : 5 500 − 2 200 = 3 300 m, avec un sommet bien au-dessus de l'isotherme 0 °C et sans doute plus froid que −10 °C. Les averses sont probables, et l'orage possible si l'instabilité est marquée. Vol court et matinal, posé avant les premiers congestus. Course d'arête : départ très tôt, crête quittée avant midi.

1.13Mémo et lexique#

Les ordres de grandeur du chapitre

Tropopause (latitudes moyennes)≈ 11 km (8 à 17 km)
Gradient moyen de l'atmosphère0,65 °C / 100 m
Pression au niveau de la mer1013 hPa
Pression près du sol−1 hPa / 8 m (≈ 10 m vers 2 000 m)
Niveaux repères850 ≈ 1 500 m · 700 ≈ 3 000 m · 500 ≈ 5 500 m
Capacité de l'air en vapeurdouble tous les ≈ 10 °C
Adiabatique sèche−1,0 °C / 100 m
Adiabatique saturée−0,4 à −0,8 °C / 100 m (≈ −0,55)
Point de rosée de la bulle−0,2 °C / 100 m
Rapprochement T / Td en montée0,8 °C / 100 m
Base des cumulus≈ 122 m × (T − Td)
Instable / stable (air non saturé)état > 1 °C / 100 m · < 0,55 °C / 100 m
Poussée pour 1 °C d'écart≈ 0,03 m/s²
Thermiques courants dans les Alpes1 à 4 m/s, pointes 5 à 8 m/s
Chaleur latente≈ 2 500 J/g ; 1 g/kg condensé ≈ +2,5 °C
Épaisseur de nuage convectif qui précipiteaverses possibles > 2 000 m, probables > 3 000 m
Adiabatique
Transformation sans échange de chaleur avec l'extérieur. Une bulle qui monte se refroidit de façon adiabatique, par simple détente.
CAPE et CIN
Énergie disponible pour la convection (aire où la bulle est plus chaude que l'air ambiant) et énergie à fournir pour percer une couche stable (aire où elle est plus froide), en J/kg.
Chaleur latente
Chaleur absorbée par l'eau qui s'évapore et rendue quand la vapeur condense, environ 2 500 J par gramme.
Courbe d'état
Profil réel de la température en fonction de l'altitude, à un endroit et à une heure donnés.
Déficit de saturation
Écart T − Td : de combien il faut refroidir l'air pour qu'il sature.
Entraînement
Mélange d'air ambiant dans un thermique par ses bords ; il dilue l'excès de chaleur et freine l'ascendance.
Humidité relative
Rapport entre la vapeur présente et le maximum possible à la température de l'air, en pourcentage.
Inversion
Couche où la température augmente avec l'altitude ; couvercle pour la convection.
Niveau de condensation
Altitude où une bulle qui monte atteint la saturation ; base des cumulus. On rencontre aussi l'abréviation anglaise LCL.
Particule (ou parcelle)
Bulle d'air imaginaire qu'on suit en la supposant isolée de son environnement.
Point de rosée
Température à laquelle il faudrait refroidir l'air pour qu'il sature ; mesure la quantité de vapeur.
Rapport de mélange
Masse de vapeur d'eau par kilogramme d'air sec, en g/kg.
Subsidence
Lente descente d'air à grande échelle, typique des anticyclones ; l'air s'y réchauffe et s'assèche.
Troposphère, tropopause
Couche basse de l'atmosphère où la température baisse avec l'altitude et où se forment les nuages ; la tropopause en est le plafond, vers 11 km.

Ce qu'il faut retenir

  • L'atmosphère est chauffée par le bas : la convection part toujours du sol.
  • Une bulle qui monte se refroidit de 1 °C / 100 m tant qu'elle est sèche, d'environ 0,55 °C / 100 m dans le nuage. C'est de la physique, pas de la météo.
  • La météo du jour, c'est la courbe d'état : si l'air ambiant refroidit plus vite que la bulle, elle monte (instable) ; s'il refroidit moins vite, elle retombe (stable).
  • Raisonnez en point de rosée, pas en humidité relative. L'écart T − Td donne la base des cumulus : ≈ 122 m par degré.
  • Une inversion est un couvercle : rayonnement la nuit au sol, subsidence sous les anticyclones, frontale à l'avant des fronts chauds.
  • Trois plafonds : mou (l'écart fond), béton (inversion), sursis (le nuage relance la montée grâce à la chaleur latente).
  • La pluie convective exige de l'épaisseur : moins de 2 000 m, rien ; plus de 3 000 m avec un sommet glacé, des averses ; le cumulonimbus, l'orage.

Fin du chapitre 1 · Le chapitre 2 met ces outils en pratique sur de vrais émagrammes.