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La découverte de l'atmosphère
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Les propriétés de l'air L'air et les gaz La température de l'air

Jalons
La température atmosphérique

Il fait plus chaud le jour que la nuit, l'été que l'hiver, sous les tropiques qu'aux hautes latitudes. On a ainsi eu bien avant l'utilisation des premiers thermomètres au XVIIe siècle, conscience que l'air atmosphérique est essentiellement chauffé par le rayonnement solaire. On a eu l'intuition dès l'Antiquité, que c'est, du moins en première instance, la durée de la présence pendant la journée du Soleil au dessus de l'horizon et sa hauteur qui déterminent la température. Cela a conduit à l'élaboration de la théorie des climats. Celle-ci n'était cependant qu'un outil cosmographique, abandonné lorsqu'on a mesuré les latitudes en degrés. De fait, la température de l'air est déterminée de façon très complexe. 

Le socle théorique à partir duquel évaluer cette complexité justement a été mis en place entre la fin du XVIIe siècle et la fin du XIXe siècleHalley en 1693, Lambert en 1779, Poisson en 1835, Plana en 1864 ont étudié théoriquement la répartition de la chaleur solaire à la surface du globe terrestre dépourvu d'atmosphère. Remarquant que leurs formules conduisent à des conclusions contraires à celles que donnent les expériences, A. Angot a repris cette question en 1883 et a trouvé que la quantité de chaleur reçue du Soleil par un point de la Terre dépend de la latitude du point, de la déclinaison du Soleil et de sa distance à la Terre, et qu'elle s'exprime par une intégrale elliptique. Tenant ensuite compte de l'absorption atmosphérique, il a obtenu des formules et construit des tables qui donnent les quantités de chaleur reçues aux différentes latitudes.

Cela étant entendu, il restait à prendre en compte plusieurs faits. L'air, en un lieu donné, peut avoir été chauffé ou refroidi en un autre lieu; le vent vient donc fausser les conclusions naïves que l'on tirerait des données concernant le seul apport de chaleur solaire. De plus la chaleur apportée par l'astre du jour peut être stockée sous différentes formes. Les courants océaniques, comme les vents, transportent l'énergie absorbée par l'eau en un lieu et la restituent en un autre lieu; l'évaporation de l'eau des océans, qui absorbe de l'énergie, la restitue également ailleurs, par les précipitations, etc. Tous ces éléments ont fait évoluer le sens du mot climat, qui demande la prise en compte non seulement de la température, mais aussi du degré d'humidité,  ou de sécheresse de l'air, la pression barométrique, la force et la direction du vent, l'état plus ou moins nuageux du ciel, la quantité de pluie, le taux de gaz à effet de serre, etc. Dans ce contexte, parler de la température de l'air, qui est de toutes les mesures météorologiques  la plus simple à réaliser, n'a de sens que dans le cadre des météorologiques et climatologiques qui ont élaborées parallèlement aux théories concernant le réchauffement solaire lui-même. 

On avait besoin pour cela, d'une part de notions sur la chaleur solaire elle-même. Saussure a initié ces recherches avec ses expériences sur le Mont Blanc en 1788, et a été suivi par John Herschel, au Cap de Bonne Espérance, entre 1834 à 1838, et par Pouillet vers la même époque. D'autre part, il était necessaire d'établir en différents points du monde des stations de mesure afin de déterminer comment se distribuait à la surface du globe non seulement cette chaleur, mais aussi tous les autres paramètres intéressant la météorologie. Les premiers observatoires météorologiques qui existaient en fait, depuis le XVIIe siècle (celui de Paris remonte à 1666, mais Boulliaud ne l'avait pas attendu pour faire des mesures thermométriques, dès 1658), ont été réorganisés à partir du début du XVIIIe, dans l'esprit insufflé un peu avant la Révolution par Cassini IV :

« Ce n'est qu'en faisant des observations avec suite, écrivait-il, avec assiduité, et avec un détail presque minutieux, que l'on pourra peut-être enfin découvrir quelque jour certaines lois, certaines périodes, dont la connaissance sera du plus grand intérêt pour l'agriculture, la médecine, etc. » (J.-D. Cassini, 1785).
Les observations de température atteignirent à partir du 1830 une plus grande précision, par suite de l'emploi de nouveaux thermomètres construits par Réaumur. A ce moment, tout un programme d'étude des températures à l'échelle du globe a déjà été proposé. Dans son Mémoire sur les lignes isothermes et la distribution de la chaleur sur le globe (Mémoires de la Société d'Arcueil, t. III, 1817) Humboldt avait ainsi exposé, le premier, l'idée de tracer sur la sphère des lignes passant par les points où la température moyenne est la même. Ce travail réalisé par lui-même pour un grand nombre de lieux a été continué par Dove puis par tous les météorologistes.
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Les premiers thermomètres

Les thermomètres sont des instruments qui utilisent, pour évaluer numériquement la température, les propriétés qu'ont les corps, principalement les gaz, les liquides et les métaux, de se dilater ou de se contracter suivant que la chaleur augmente ou diminue. On est loin d'être d'accord sur leur origine. Quelques auteurs en font remonter l'idée première à Galilée, d'autres même à Roger Bacon. Le physicien Drebbel paraît bien, en tout cas, avoir construit dès 1621 un instrument de ce genre et, en 1660, les académiciens de Florence faisaient couramment usage, pour leurs expériences, d'une petite sphère de verre surmontée d'un tube étroit et renfermant, jusqu'à un trait qu'ils avaient marqué sur le tube, de l'alcool coloré : suivant que la température s'élevait ou s'abaissait, le niveau du liquide montait ou descendait, et la variation s'appréciait, comme aujourd'hui encore, par la distance entre ce niveau et le trait. Mais l'essentiel manquait, à savoir des points de repère invariables que l'on pût, en tous lieux, aisément retrouver et qui servissent de hase à une graduation uniforme. 

Faute de cette condition, l'instrument, arbitrairement divisé, n'était susceptible d'indiquer que le sens et, très approximativement, l'intensité des fluctuations de la température. Il n'offrait donc qu'un intérêt pratique très restreint.. Et cependant l'usage s'en répandit rapidement jusque dans les habitations des particuliers, car dans l'Inventaire de Molière, dressé en 1673, on voit figurer, à côté de deux pendules et dans le même lot. un « termamettre ». D'autre part, le Livre commode de l'année 1691 nous apprend que les émailleurs avaient, à Paris, la spécialité de sa construction; on avait, en effet, substitué, pour sa monture, une plaque de métal émaillée à la grossière planchette de bois primitive. Il y eut peut-être encore, à l'époque, quelques autres petites améliorations de détail. Mais ce ne fut qu'en 1694 qu'un physicien de Pavie, C. Renaldini, proposa, dans sa Philosophia naturalis, de prendre, comme points fixes de la graduation, les températures respectives de la fusion de la glace et de l'ébullition de l'eau et de partager l'intervalle en parties égales.

Halley, Amontons, Newton, Réaumur, Fahrenheit, Celsius contribuèrent, dans le cours des années qui suivirent et à des degrés divers, au perfectionnement du thermomètre. Il fut dès lors ce qu'il est resté, et, la mode s'en mêlant, il prit place, à côté des baromètres, dans tous les cabinets d'amateurs. Il nous a été ainsi conservé des thermomètres de la seconde moitié du XVIIIe siècle enveloppés dans de magnifiques encadrements en bois sculpté et doré. On éprouva aussi, vers le même temps, le besoin de contrôler la marche de ces instruments et l'on fit des thermomètres à tubes multiples, dits « thermomètres de comparaison », consistant tout simplement dans l'accouplement de plusieurs thermomètres ordinaires, les uns à mercure, les autres à alcool, ou encore les uns à graduation Réaumur, les autres à graduation Fahrenheit. 

Dès la fin du XIXe siècle, on construisait, outre les anciens thermomètres à mercure et à alcool, des thermomètres à maxima et à minima, des thermomètres à gaz, des thermomètres métalliques, des thermomètres électriques, des thermomètres-enregistreurs.

Variations en altitude.
De temps immémorial, on sait que la température décroît à mesure qu'on s'élève sur les montagnes, et les observations faites en ballon depuis la fin du XVIIIe siècle ont montré qu'une semblable décroissance s'observe dans les couches successives de l'atmosphère. Mais quelle loi suit l'abaissement de température en question : est-il ou non proportionnel à l'altitude? Il faudra patienter jusqu'aux études menées au XXe siècle pour répondre. En attendant, on constate qu'il y a lieu tout d'abord de distinguer entre la température de l'air au-dessus du sol des plateaux et des montagnes et la température des couches d'air libres de même altitude. Les physiciens comprennent en effet dès les premières mesures qu'il doit y avoir au point de vue des conditions d'échauffement et de refroidissement de ces couches une grande différence : au sommet d'une montagne, le voisinage du sol, son contact avec la masse d'air surplombante, ne peuvent manquer d'exercer sur la température de celle-ci, soit pendant la nuit, soit pendant le jour, une influence qui n'existe plus pour une masse d'air située à la même hauteur au-dessus du niveau de la mer, mais distante du sol des plaines de plusieurs milliers de mètres par exemple.

En juillet 1788, de Saussure fit pendant dix-sept jours, au col du Géant, à l'altitude de 3428 mètres, toute une série d'observations météorologiques, et notamment de la température de l'air, pendant que d'autres observateurs notaient également les hauteurs du thermomètre à Chamonix (1050 m) et à Genève (408 m). Les différences de température entre la station supérieure et les deux autres varièrent non seulement d'un jour à l'autre, mais aussi d'une heure à l'autre dans le même jour. En prenant la moyenne et en supposant la décroissance de température proportionnelle à l'altitude, Saussure conclut de ses observations que dans l'après-midi (à 6 heures du soir) un abaissement de 1°C correspondait à une élévation de 141 mètres; à 4 heures du matin, la décroissance était moins rapide, et il fallait s'élever de 210 mètres pour trouver une différence de 1 °C; la moyenne de toutes ses observations indiquait 1° C par 164,69 m.

Quelques décennies plus tard, Kaemtz a fait au Rigi, à 1810 mètres d'altitude, une série d'observations qui ont mis en évidence l'influence horaire déjà constatée par de Saussure. Les observations simultanées étaient faites à Bâle, à Berne, à Genève et à Zurich. La loi de décroissance, beaucoup plus rapide la journée que la nuit, donne 1°C pour 121 mètres à 5 heures du soir, et 1°C pour 186 mètres à 5 heures du matin. En moyenne, une diminution de 1°C de température correspondait à 149 mètres d'élévation verticale. On retrouve la même loi dans les observations simultanées faites à Genève et au Grand Saint-Bernard par d'autres observateurs. Humboldt donnait. 1°C pour 156 à 170 mètres dans l'Europe centrale, c'est-à-dire en moyenne 1°C pour 163 mètres. 

« Les observations que j'ai faites, dit-il, jusqu'à 6000 mètres de hauteur, dans la partie de la chaîne des Andes comprise entre les tropiques, m'ont donné une diminution de 1° de température par 187 mètres d'augmentation dans la hauteur. Trente ans plus tard, mon ami Boussingault a trouvé en moyenne 175 mètres. »
Des observations faites en montagne, passons à celles faites par les aéronautes dans les couches élevées de l'atmosphère. On sait que Gay-Lussac, dans la célèbre ascension qu'il fit en 1804, constata une température de 9,5 °C au-dessous de zéro, tandis que la température du sol était de +28°C. C'était 38° d'abaissement pour une différence d'altitude de 7000 mètres, soit 1°C par 185 mètres d'élévation dans l'hypothèse d'un décroissement uniforme. Mais le physicien a pu constater que cette uniformité n'existait pas pendant son ascension jusqu'à 5800 mètres d'altitude, le décroissement fut de 1°C par 18,5 m entre 3800 et 5700, il fut de 4 °C par  185,8 m, puis de 1°Cpar 161,2 m au delà. Barral et Bixio, en juillet 1850, s'élevèrent à 7049 mètres; la température au niveau du sol, étant de + 18°C au départ, n'était plus à cette altitude que de -39°,7, à peu près celle de la congélation du mercure. L'abaissement total 57°,7 indiquait pour la décroissance 1° par élévation de 122 mètres. Il est vrai que cette température, si extraordinairement basse, fut attribuée à la présence d'un nuage formé d'aiguilles de glace et n'ayant pas moins de 4 kilomètres d'épaisseur

Bravais a recueilli les résultats obtenus par divers aéronautes, ceux de Gay-Lussac que nous venons de citer et divers autres, desquels il lui parut résulter que l'abaissement de température, d'abord assez rapide à partir de la surface du sol, va ensuite en diminuant jusque vers l'altitude de 5800 et 4000 mètres, pour s'accélérer de plus en plus à partir de ce point jusqu'aux limites de hauteur où les ballons étaient parvenus. Dans l'hypothèse d'une décroissance uniforme et proportionnelle à l'altitude, et en admettant que 200 mètres d'élévation donnent en moyenne un abaissement de 1° C, on calculait à cette époque qu'à 10 000 mètres la température serait de 50° au-dessous de zéro. A 28 kilomètres, le froid des couches atmosphériques devait atteindre -140° C, c'est-à-dire la température que les calculs de Pouillet avaient donnée pour celle de l'espace interplanétaire. On estimait cependant que les limites de l'atmosphère étaient notablement plus reculées : d'où l'on induisait que la décroissance, d'abord à peu près proportionnelle à l'augmentation de l'altitude, suivait ensuite une marche plus lente, à mesure qu'on pénètrait dans des couches d'air plus raréfiées et plus élevées. Mais il fallait bien convenir que les données étaient encore insuffisantes pour formuler la loi de décroissance supposée.

Les anomalies thermiques

Les ascensions en ballon ont atteint à la toute fin du XIXe siècle les limites de la troposphère, cette couche d'air d'environ 8 à 17 kilomètres d'épaisseur (selon la latitude) où la température est normalement décroissante avec l'altitude. C'est seulement au XXe siècle que l'exploration de l'atmosphère au dessus de cette région a révélé sa structure thermique complexe. 

Les ballons qui plafonnent à une quarantaine de kilomètres d'altitude, et les fusées-sondes, lancées dès la fin des années 1940, montreront ainsi qu'il existe au-dessus de la troposphère, entre jusqu'à 25 km environ, une zone (la partie inférieure de la stratosphère, que l'on commence à étudier dès 1902) où la température  ne varie pratiquement pas (elle reste autour de - 55°C), puis, une autre zone (la partie supérieure de la stratosphère) où la température remonte pour atteindre environ 0°C à 50 km d'altitude. Entre 50 et 80 km, dans la couche atmophérique appelé mésosphère, cette température chute de nouveau et atteint -90 °C, pour remonter ensuite dans la thermosphère à des températures, qui dans ce milieu très dilué ne doivent être considérées que comme des mesures de l'agitation moléculaire, de l'ordre de 1000 °C. Au-delà de 300 à 500 km, il n'y a plus vraiment d'air : l'atmosphère cède la place à l'ionosphère, qui est une composante de la magnétosphère.

Mais on connaît déjà, au XIXe siècle, deux autres situations où les températures manifestent un comportement spécial observable au niveau du sol. Il s'agit d'une part des inversions thermiques (verticales) que l'on appelle alors des interversions de température, et, d'autre part, de l'effet de serre

Interversions des températures.
Les exceptions à la loi de décroissance monotone des températures ont d'abord été reconnues par les météorologistes pendant les hivers rigoureux. Il s'agissait d'anomalies locales consistant en un accroissement de température avec l'altitude au lieu de la diminution normale. Fournet a recueilli, dès 1839, de nombreux exemples de ces interversions en France et en Suisse. Depuis, ces exemples se sont multipliés. Citons, d'après Mohn (mars 1883), ce qui se passe à quelques kilomètres de Christiania, où une colline de 450 mètres d'altitude jouit en hiver d'une température supérieure à celle de la ville même. Alluard, directeur de l'observatoire du Puy de Dôme, a fait, sur ces interversions, pendant l'hiver rigoureux de 1879-1880, des remarques que nous allons reproduire, car bien représentatives de l'intérêt que l'on porte en son temps à ces phénomènes et de l'explication que l'on s'en fait. 

Un phénomène qui a attiré beaucoup l'attention, dit Alluard, est la différence de température des deux stations de l'observatoire du Puy de Dôme, la station de la montagne étant moins froide que la station de la plaine. Quand la Limagne est enveloppée de nuages et que le Soleil brille au Puy de Dôme, il est naturel qu'il fasse plus chaud en haut qu'en bas; nous en avons eu un exemple frappant en janvier, du 4 au 14, pendant une période de brouillards épais et persistant sans interruption dix jours de suite. Mais, en décembre, du 15 au 28, par un ciel pur, les températures maxima ont été constamment plus élevées au Puy de Dôme qu'à Clermont, et comme, à la même époque, les températures minima étaient aussi renversées, il en est résulté que, pendant 15 jours, la température moyenne de la journée était plus élevée d'environ 10° à une altitude de 1100 mètres au-dessus de Clermont. Cette singularité tient à ce que, à Clermont, dans un air presque calme, la direction du vent était nord ou nord-ouest, tandis qu'au Puy de Dôme le vent soufflait avec force du côté nord-est, quelquefois du sudest ou du sud, et d'autres fois de l'Ouest.

Ce qui me paraît encore plus digne d'intérêt, parce qu'il ne s'agit plus d'un phénomène accidentel, mais d'un phénomène général, c'est la fréquente interversion de la température pendant la nuit dans les altitudes élevées. Elle se produit à l'observatoire du Puy de Dôme à toutes les époques de l'année, ainsi que je l'ai annoncé à l'Académie en septembre 1878. Elle est peut-être un peu plus répétée en hiver qu'en été; mais cette année, pendant les froids rigoureux de décembre et de janvier, elle s'est accentuée davantage; dans l'intervalle de deux mois et demi, cinquante et une nuits ont été moins froides au Puy clé Dôme qu'à Clermont. Les différences sont souvent considérables ; on en jugera par les nombres suivants, relevés en décembre.

Dans quelles conditions l'interversion de la température avec l'altitude se produit-elle? Y a-t-il quelque relation entre elle et l'état de l'atmosphère? Ces questions se lient de la manière la plus intime aux lois qui règlent les grands mouvements de l'atmosphère. Leur examen m'a conduit à une solution bien inattendue, et cela grâce à l'hiver rigoureux qui a mis en évidence certaines particularités difficiles à soupçonner

Les observations faites dans les deux stations de l'observatoire du Puy de Dôme permettent d'établir cette règle générale Toutes les fois qu'une zone de hautes pressions couvre l'Europe centrale, et surtout la France, il y a, dans nos climats, interversion de la temnpérature avec l'altitude.

Naturellement cette interversion se manifeste surtout pendant la nuit, parce qu'alors on est à l'abri des perturbations produites par la présence du Soleil au-dessus de l'horizon; mais elle se présente aussi pendant le jour, quoique plus rarement. On peut ajouter que les différences de température entre Clermont et le Puy de Dôme sont d'autant plus fortes que les hautes pressions sont plus considérables et que l'atmosphère se trouve dans des conditions de plus grande stabilité.

Dès qu'une zone de fortes pressions s'établit sur le milieu de l'Europe, et particulièrement sur la France, la comparaison de nos thermomètres nous l'apprend; aussitôt, pendant la nuit, il fait moins froid au Puy de Dôme qu'à Clermont. Une perturbation lointaine vient-elle à entamer cette zone, la forçant à se reculer d'un côté ou de l'autre, de suite l'interversion des températures diminue ou disparaît. 

L'effet de serre.
L'effet de serre correspond à l'élévation de la température des couches basses de l'atmosphère due au piégeage par certains gaz qu'elle contient (vapeur d'eau, anhydride carbonique, protoxyde d'azote, ozone et  méthane, par exemple) des rayonnements infrarouges réémis par le sol après que celui-ci ait été chauffé par le rayonnement solaire. L'idée que l'atmosphère puisse être le siège d'un effet de serre a été formulée pour la première fois en 1807 par J.-B. Fourier  dans sa Théorie Analytique de la Chaleur. En 1858, John Tyndall mit en évidence le rôle de la vapeur d'eau et du dioxyde de carbonne dans le piégeage du rayonnement infrarouge, et y vit l'indication du rôle que ces gaz pouvaient jouer dans l'effet de serre atmosphérique.

Il faut attendre ensuite 1896 pour qu'une première étude complète sur l'effet de serre planétaire soit publiée. Elle est due à Svante Arrhenius. Le chimiste, déjà conscoient du rôle que pouvaient jouer les activités humaines dans la teneur en gaz à effet de serre de l'atmosphère, calcula que si l'on diminuait d'un tiers la teneur de dioxyde de carbonne dans l'atmosphère, la température moyenne de celle-ci diminuerait de 3°C, - c'est ce phénomène, pensait-il, qui pouvait expliquer les anciennes ères glaciaires -, et que si on doublait cette teneur, la température augmenterait de 5 à 6°C. Bien qu'assez exacts au final, ces chiffres résultaient cependant de calculs très sommaires et rendait ce résultat fragile. Arvid Högbom, collaborateur d'Arrhénius pour ce travail, a d'ailleurs été le premier à en relativiser la portée. De plus, d'autres explications des âges glaciaires furent rapidement disponible, en particulier à théorie que Milutin Milankovitch (Milankovic) proposera en 1927, et selon laquelle les variations du climat pouvaient se rapporter à des cycles astronomiques (orbite et inclinaison de la Terre), expliquant des variations périodiques de l'apport de chaleur solaire. Tout cela fit que lorsque G. Callendar, en 1939, calcula que le niveau de l'anhydride carbonique et de la température avait monté au cours des décennies précédentes, il ne recueillit pratiquement aucun écho.

Dans les années 1950, les outils théoriques pour l'étude d'un éventuel réchauffement global ont commencé à être disponibles. Avec la mise en évidence dans les années 1970 de l'importance de l'effet de serre sur d'autres planètes (Mars et surtout Vénus) lel phénomène a cessé d'être à peine plus qu'une curiosité, bonne au mieux à comprendre les paléoclimats, et est devenu l'objet de recherches plus poussées. Celles-ci ont abouti à partir des années 1980 et surtout depuis le début des années 1990, aux premiers rapports véritablement étayés sur l'actuel réchauffement climatique et rôle qu'y jouent, comme l'avaient déjà pressenti Arrhénius et ses successeurs, les rejets de gaz  liés aux industries humaines. 

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