Astronomie

Molécules d'air par pied cube à une certaine altitude au-dessus de la surface

Molécules d'air par pied cube à une certaine altitude au-dessus de la surface

L'atmosphère de la Terre et des autres corps célestes s'amincit au fur et à mesure que vous montez. Imaginez que vous puissiez voir des atomes/molécules. À quelle altitude au-dessus de la surface de la Terre et de Mars verriez-vous assez peu de molécules par pied cube pour pouvoir les compter ? Si vous étiez, disons, à 500 miles (805 km) au-dessus de la surface de la Terre, combien de molécules d'air par pied cube (30 cm) verriez-vous ?

Ou, on peut demander l'inverse : à quelle altitude au-dessus de la Terre verriez-vous, disons, 100 molécules d'air par pied³ ? Quel gaz n'a pas d'importance, je demande toutes les molécules de l'atmosphère dans un certain volume. Et puisque même l'espace interplanétaire n'est pas un vide parfait, à quoi ressemblerait-il là-bas, par ex. à mi-chemin entre la Terre et l'orbite de Mars ?


Les types de molécules/atomes et la densité de ces molécules/atomes en fonction de l'altitude dans la haute atmosphère terrestre dépendent beaucoup de l'heure de la journée et de l'activité du Soleil.

Moment de la journée : La haute atmosphère de la Terre a un renflement diurne marqué. La variation de densité à altitude constante peut varier d'un ordre de grandeur (un facteur dix) juste à cause de la différence entre la nuit et le jour.

Activité solaire : Un pouf du Soleil peut faire gonfler la haute atmosphère de la Terre non seulement d'un ordre de grandeur comme on le voit avec le renflement diurne, mais de plusieurs ordres de grandeur. Les satellites en orbite terrestre basse doivent utiliser beaucoup plus de propulseur lorsque l'activité du Soleil est élevée par rapport à maintenant lorsque le Soleil est plutôt au repos.


Pour répondre à votre question, il n'y a pas de réponse unique à votre question. C'est en partie la raison (peut-être la raison principale) pour laquelle il est imprécis de prédire quand un satellite sur une orbite se dégradant rentrera. Il existe plusieurs modèles de la haute atmosphère terrestre qui varient d'assez simples à ridiculement complexes.


Sur le plan simple, je préfère utiliser le spectromètre de masse et le modèle d'atmosphère de diffusion incohérente de l'US Naval Research Laboratory, ou NRLMSISE-00 pour faire court. Il faut fournir la latitude, la longitude, la date, l'heure du jour et trois paramètres qui indiquent l'activité solaire récente et actuelle. Et c'est du côté simple.


Les atomes sont petits. Il a été observé qu'il y a plus de molécules d'eau dans une cuillère à café qu'il n'y a de cuillères à café d'eau dans tous les océans de la Terre.

En fait, les atomes sont si petits que même à la très faible densité de l'espace interplanétaire, le nombre d'atomes n'atteint jamais des niveaux si bas qu'ils pourraient être comptés. Wikipedia dit que le milieu interplanétaire a environ 5 particules par centimètre cube, soit 150 000 particules par pied cube (mais assez variable dans le temps et dans l'espace). Même dans les vides entre les galaxies, c'est probablement plus de 1000 atomes par pied cube.

En orbite terrestre basse, la densité de l'air peut être 10$^{-15} kg, m^{-3}$, ce qui correspond à des milliards d'atomes par pied cube. (mais très variable, en réponse à l'activité solaire.)


Molécules d'air par pied cube à une certaine altitude au-dessus de la surface - Astronomie

L'atmosphère terrestre est composée d'air. L'air est un mélange de gaz, 78 % d'azote et 21 % d'oxygène avec des traces de vapeur d'eau, de dioxyde de carbone, d'argon et divers autres composants. Nous modélisons généralement l'air comme un gaz uniforme (sans variation ni fluctuation) dont les propriétés sont moyennées à partir de tous les composants individuels. Tout gaz a certaines propriétés que nous pouvons détecter avec nos sens. Les valeurs et les relations des propriétés définissent l'état du gaz.

Sur cette diapositive, vous trouverez des valeurs typiques des propriétés de l'air à conditions statiques au niveau de la mer pour une journée standard. Nous savons tous que la pression et la température de l'air dépendent de votre emplacement sur la terre et de la saison de l'année. Et bien qu'il fasse plus chaud à certaines saisons que d'autres, la pression et la température changent de jour en jour, d'heure en heure, parfois même de minute en minute par temps violent. Les valeurs présentées sur la diapositive sont simplement des valeurs moyennes utilisées par les ingénieurs pour concevoir des machines. C'est pourquoi elles sont appelées valeurs standard. Nous savons également que toutes les variables d'état du gaz changeront avec l'altitude, c'est pourquoi les valeurs typiques sont données au niveau de la mer, en conditions statiques. Parce que la gravité de la Terre maintient l'atmosphère à la surface, à mesure que l'altitude augmente, la densité de l'air, la pression et la température (pour les basses altitudes) diminuent. Aux confins de l'espace, la densité est quasi nulle. La variation de l'air par rapport à la norme peut être très importante car elle affecte les paramètres d'écoulement comme la vitesse du son.

Un gaz est composé d'un grand nombre de molécules qui sont en mouvement constant et aléatoire. La somme de la masse de toutes les molécules est égale à la masse du gaz. Un gaz occupe un certain volume dans l'espace tridimensionnel. Pour une pression et une température données, le volume dépend directement de la quantité de gaz. Puisque la masse et le volume sont directement liés, nous pouvons exprimer à la fois la masse et le volume par une seule variable. Lorsqu'un gaz se déplace, il est pratique d'utiliser la densité d'un gaz, qui est la masse divisée par le volume occupé par le gaz. La valeur standard de la densité de l'air au niveau de la mer r est

r = 1,229 kilogrammes/mètres cubes = 0,00237 limaces/pieds cubes

Lorsque vous travaillez avec un gaz statique ou immobile, il est plus pratique d'utiliser un volume spécifique, qui est le volume divisé par la masse. La valeur standard du niveau de la mer du volume spécifique v est

v = .814 mètres cubes/kilogramme = 422 pieds cubes/slug

La pression d'un gaz est égale à la force perpendiculaire exercée par le gaz divisée par la surface sur laquelle la force est exercée. La valeur standard de la pression atmosphérique au niveau de la mer p est

p = 101,3 kilo Newtons/mètre carré = 14,7 livres/pouce carré

La température d'un gaz est une mesure de l'énergie cinétique des molécules du gaz. La valeur standard de la température de l'air au niveau de la mer T est

T = 15 degrés C = 59 degrés Fahrenheit

Un gaz peut exercer une force tangentielle (cisaillement) sur une surface, qui agit comme une friction entre des surfaces solides. Cette propriété "collante" du gaz s'appelle la viscosité et elle joue un grand rôle dans la traînée aérodynamique. La valeur standard de la viscosité de l'air au niveau de la mer mu est

mu = 1,73 x 10^-5 Newton-seconde/mètre carré = 3,62 x 10^-7 livre-seconde/pied carré

La densité (volume spécifique), la pression et la température d'un gaz sont liées les unes aux autres par l'équation d'état. L'état d'un gaz peut être modifié par des processus externes, et la réaction du gaz peut être prédite en utilisant les lois de la thermodynamique. Une compréhension fondamentale de la thermodynamique est très importante pour décrire le fonctionnement des systèmes de propulsion.


Hauteur, altitude et niveau de vol

Tout d'abord, distinguons certains termes techniques. Deux dont vous aurez entendu parler, l'autre, vous n'en avez peut-être pas entendu parler. Même si la hauteur et l'altitude sont facilement interchangeables dans le langage courant, il y a en fait une assez grande différence entre les deux dans le monde de l'aviation.

La hauteur fait référence à la distance verticale d'un objet au-dessus du sol. La structure de la tour de contrôle du trafic aérien de l'aéroport d'Heathrow a une hauteur de 285 pieds. Cela signifie que la distance à laquelle un objet tomberait si vous le laissiez tomber du sommet serait de 285 pieds. Assez évident.

L'altitude fait référence à la distance verticale d'un objet au-dessus du niveau de la mer. Le facteur important ici est que cela dépend beaucoup de la pression atmosphérique. Au fur et à mesure que les systèmes météorologiques se déplacent dans le monde, la pression de l'air change au-dessus d'un certain endroit au sol. Ces changements de pression sont comme l'air dans un matelas gonflable. Imaginez que vous placez un modèle réduit d'avion sur votre matelas et traitez le sol comme le niveau de la mer. Lorsque vous pompez de l'air dans le matelas, augmentant la pression de l'air, l'avion s'élève plus haut que la mer. Lorsque vous laissez sortir l'air, en abaissant la pression, l'avion s'enfonce plus près de la mer.

En conséquence, les pilotes doivent être conscients de la pression atmosphérique pour leur emplacement dans le monde. Pour s'assurer qu'ils volent à la bonne altitude, ils doivent mettre à jour leur altimètre en conséquence.

Si vous pensez qu'il ne semble toujours pas y avoir de différence entre les deux, vous êtes pardonné. Espérons que le prochain bit l'éclaircira.


La garde au sol est la clé

Dites que vous volez au-dessus de la mer à 3 000 pieds altitude sur le réglage de la pression locale. Parce que vous êtes au-dessus de la mer, cela signifie également que votre la taille est de 3 000 pieds. Il y a donc une belle distance de sécurité entre vous et l'eau. Les pilotes aiment l'air entre eux et la surface. Mais que se passe-t-il lorsque vous atteignez la chute et volez vers des collines ?

Un aéronef volant à 3 000 pieds d'altitude, lorsqu'il survole la terre, peut n'avoir qu'une hauteur de 1 500 pieds. (Image avec l'aimable autorisation de Mapscaping.com)

En supposant que la pression atmosphérique reste la même, vous volez toujours à 3 000 pieds altitude, mais alors que le sol commence à s'élever sous vous, votre la taille est maintenant en baisse. Si je devais vous dire que les sommets des collines et des montagnes sont mesurés en élévation &mdash la distance verticale au-dessus du niveau de la mer &mdash vous comprendrez pourquoi l'altitude est beaucoup plus utile aux pilotes que la hauteur. Lorsque vous volez près du sol, le dégagement du terrain est essentiel. Si nous connaissons l'altitude du terrain en dessous de nous, en veillant à ce que nous ayons la bonne pression, nous pouvons nous assurer que nous gardons une distance de sécurité entre nous et le terrain.

En regardant le graphique ci-dessous, vous remarquerez que pour un vol de New York à San Francisco, la pression atmosphérique change régulièrement. Changer constamment cela pendant cinq heures serait fastidieux. De plus, si un aéronef oubliait de tenir le sien à jour, une perte d'espacement pourrait se produire. En conséquence, une fois au-dessus d'une certaine altitude, les pilotes établissent un réglage de pression standard, 1 013 hectopascals (l'unité de mesure de la pression) et volent à Niveaux de vol.

(Image avec l'aimable autorisation de web.gccaz.edu)

En volant à un Niveau de vol (FL), les avions peuvent parcourir des milliers de kilomètres sans avoir à réinitialiser leur réglage de pression. Lorsqu'ils s'éloignent d'un aérodrome, l'ATC demandera aux pilotes de monter à un certain niveau de vol. Prenez les deux derniers 0&rsquos de l'altitude et vous avez le FL&mdash, c'est-à-dire que 23 000 pieds devient FL230. Les pilotes modifieront le réglage de la pression à 1 013 HPA et l'avion vole maintenant à un niveau de vol. À l'approche de l'aérodrome de destination, l'ATC leur demandera de régler la pression locale, le QNH, et à partir de là, ils volent à des altitudes.


Quiz ATMO 1

L'intensité et la fréquence des collisions entre les molécules.

La vitesse moyenne des molécules.

Le nombre de molécules dans un mètre cube d'air.

L'intensité et la fréquence des collisions entre les molécules.

Il indique une température plus élevée que la vraie température de l'air.

Il indique une température inférieure à la température réelle de l'air.

Il mesure avec précision la température minimale du jour, mais pas la température maximale du jour.

La température théorique à laquelle l'échelle Celsius et l'échelle Fahrenheit se croisent.

Le point de congélation de l'air.

Le point de congélation de l'eau.

2 atmosphères de pression.

3 atmosphères de pression.

4 atmosphères de pression.

20 atmosphères de pression.

Le changement de pression est le même lors des deux randonnées.

Le changement de pression est plus important lors de la randonnée hivernale.

De l'ouest à l'est.

De l'est à l'ouest.

Du nord au sud.

plus rapide dans le sens horizontal que dans le sens vertical

plus rapide dans le sens vertical que dans le sens horizontal

à peu près le même taux dans les directions horizontale et verticale

Densité de l'air et distance entre le radar et les précipitations.

Taux de précipitation et vitesse du vent.

La température et la densité des chutes de pluie.

Le nombre et la taille des aérosols sur lesquels se forment les gouttes de pluie.

L'émission de lumière solaire visible par les gouttes de pluie.

L'émission de rayonnement infrarouge par les gouttes de pluie.

Une région de l'atmosphère où il neige car il fait très froid.

Région de l'atmosphère où une masse d'air froid pénètre et remplace une masse d'air chaud.

Masse d'air dont la température diminue avec l'altitude.

Mesurer la chaleur réfléchie par la Terre.

Mesure du rayonnement visible réfléchi par la Terre.

Mesure du rayonnement infrarouge émis par la Terre.

Mesure du rayonnement infrarouge réfléchi par la Terre.

Il émet beaucoup de rayonnement visible.

Il absorbe beaucoup de rayonnement visible.

Il est à une température plus élevée qu'un nuage gris.

Le sommet des nuages ​​est plus froid et donc plus haut dans l'atmosphère.

augmente avec la hauteur

diminue avec l'augmentation de la hauteur

augmente avec la hauteur décroissante

dioxyde de carbone et azote

Partout ailleurs, il y a une inversion de température qui protège la couche d'ozone.

C'est la seule région de la stratosphère qui peut être atteinte par le rayonnement ultraviolet du soleil.

C'est la seule région de la stratosphère où il fait suffisamment froid pour former des nuages ​​stratosphériques polaires qui améliorent la dégradation de l'ozone.

Il n'y a pas de production anthropique d'ozone en Antarctique.

Stratosphère, Stratopause, Troposphère, Tropopause, Mésosphère, Mésopause

Troposphère, Tropopause, Mésosphère, Mésopause, Stratosphère, Stratopause

Tropopause, Troposphère, Stratospause, Stratosphère, Mésopause, Mésosphère

un nuage de très petits cristaux de glace.

un nuage de gouttelettes d'eau liquide.

Les aérosols ne sont émis que par les volcans et la combustion de combustibles fossiles, alors que les gaz traces ne le sont pas.

Les gaz traces sont anthropiques alors que les aérosols ne sont présents naturellement que dans l'atmosphère.

Les aérosols ne restent pas plus de quelques heures dans l'air, alors que les gaz traces ont une durée de vie de plusieurs milliers d'années dans l'atmosphère.


Comprendre la densité de l'air et ses effets

En termes simples, la densité est la masse de tout – y compris l'air – divisé par le volume qu'il occupe.

Dans le système métrique utilisé par les scientifiques, nous mesurons généralement la densité en kilogrammes par mètre cube.

La densité de l'air dépend de sa température, de sa pression et de la quantité de vapeur d'eau dans l'air. Nous parlerons d'abord de l'air sec, ce qui signifie que nous ne nous préoccuperons que de la température et de la pression.

En plus d'une discussion de base sur la densité de l'air, nous décrirons également les effets d'une densité de l'air plus faible - comme celle causée par l'altitude élevée - sur les humains, comment l'humidité affecte la densité de l'air - vous pourriez être surpris - et les effets de la densité de l'air d'avions, de balles de baseball et même de voitures de course.

Les molécules d'azote, d'oxygène et d'autres gaz qui composent l'air se déplacent à des vitesses incroyables, se heurtant les unes aux autres et à tous les autres objets. Plus la température est élevée, plus les molécules se déplacent rapidement. Lorsque l'air est chauffé, les molécules accélèrent, ce qui signifie qu'elles poussent plus fort contre leur environnement.

Si l'air est dans un ballon, le chauffer va dilater le ballon, le refroidir fera rétrécir le ballon à mesure que les molécules ralentissent. Si l'air chauffé n'est entouré que d'air, il repoussera l'air environnant. En conséquence, la quantité d'air dans une “box” particulière diminue lorsque l'air est chauffé si l'air est libre de s'échapper de la boîte. Dans l'atmosphère libre, la densité de l'air diminue à mesure que l'air est chauffé.

La pression a l'effet inverse sur la densité de l'air.

L'augmentation de la pression augmente la densité. Pensez à ce qui se passe lorsque vous appuyez sur la poignée d'une pompe à vélo. L'air est comprimé. La densité augmente à mesure que la pression augmente.

Les systèmes d'altitude et de météo peuvent modifier la pression atmosphérique. Au fur et à mesure que vous montez, la pression de l'air diminue d'environ 1 000 millibars au niveau de la mer à 500 millibars à environ 18 000 pieds. À 100 000 pieds au-dessus du niveau de la mer, la pression de l'air n'est que d'environ 10 millibars. Les systèmes météorologiques qui apportent une pression atmosphérique plus élevée ou plus basse affectent également la densité de l'air, mais pas autant que l'altitude.

Nous voyons que la densité de l'air est la plus faible à haute altitude par une journée chaude lorsque la pression atmosphérique est faible, par exemple à Denver lorsqu'une tempête se déplace par une journée chaude. La densité de l'air est la plus élevée à basse altitude lorsque la pression est élevée et que la température est basse, comme lors d'une journée d'hiver ensoleillée mais extrêmement froide en Alaska. (Connexe : Comprendre la pression atmosphérique)

Effets d'une densité plus faible sur les humains

Si vous montez assez haut, que ce soit en escaladant une montagne ou en montant dans un avion qui n'a pas de cabine pressurisée, vous commencerez à ressentir les effets d'une pression et d'une densité d'air plus faibles.

À mesure que la pression atmosphérique diminue, l'oxygène continue de représenter environ 21 % des gaz dans l'air, comme il le fait au niveau de la mer. Mais, il y a moins d'oxygène car il y a moins de tous les gaz de l'air. Par exemple, au moment où vous atteignez 12 000 pieds, la pression de l'air est environ 40 % inférieure à celle du niveau de la mer. Cela signifie qu'à chaque respiration, vous obtenez environ 40 % d'oxygène en moins qu'à basse altitude.

Ces effets ne se font pas sentir dans les avions de ligne, car les cabines sont pressurisées pour maintenir la densité de l'air à l'intérieur à peu près la même qu'elle serait à environ 6 000 ou 7 000 pieds au-dessus du niveau de la mer.

Les liens ci-dessous contiennent plus d'informations sur les effets d'une densité de l'air plus faible :

Princeton U. : Haute altitude : Acclimatation et maladies
WebMD : Mal des montagnes
Guide de médecine en haute altitude
Humidité et densité de l'air

La plupart des gens qui n'ont pas étudié la physique ou la chimie ont du mal à croire que l'air humide est plus léger ou moins dense que l'air sec. Comment l'air peut-il devenir plus léger si on y ajoute de la vapeur d'eau ?

Les scientifiques le savent depuis longtemps. Le premier était Isaac Newton, qui a déclaré que l'air humide est moins dense que l'air sec en 1717 dans son livre, Optics. Mais, d'autres scientifiques n'ont généralement compris cela que plus tard dans ce siècle.

Pour comprendre pourquoi l'air humide est moins dense que l'air sec, nous devons nous tourner vers l'une des lois de la nature que le physicien italien Amadeo Avogadro a découverte au début des années 1800. En termes simples, il a découvert qu'un volume fixe de gaz, disons un mètre cube, à la même température et pression, aurait toujours le même nombre de molécules, quel que soit le gaz contenu dans le conteneur. La plupart des livres de chimie débutants expliquent comment cela fonctionne.

Imaginez un pied cube d'air parfaitement sec. Il contient environ 78% de molécules d'azote, qui ont chacune un poids moléculaire de 28 (2 atomes avec un poids atomique de 14) . Un autre 21 % de l'air est constitué d'oxygène, chaque molécule ayant un poids moléculaire de 32 (2 stomes avec un poids atomique de 16). Le dernier pour cent est un mélange d'autres gaz, dont nous ne nous inquiéterons pas.

Les molécules sont libres d'entrer et de sortir de notre pied cube d'air. Ce que Avogadro a découvert nous amène à conclure que si nous ajoutions des molécules de vapeur d'eau à notre pied cube d'air, certaines molécules d'azote et d'oxygène partiraient - rappelez-vous, le nombre total de molécules dans notre pied cube d'air reste le même.

Les molécules d'eau, qui remplacent l'azote ou l'oxygène, ont un poids moléculaire de 18. (Un atome d'oxygène avec un poids atomique de 16 et deux atomes d'hydrogène chacun avec un poids atomique de 1). C'est plus léger que l'azote et l'oxygène. En d'autres termes, le remplacement de l'azote et de l'oxygène par de la vapeur d'eau diminue le poids de l'air dans le pied cube, c'est-à-dire que sa densité diminue.

Attendez une minute, vous pourriez dire, "Je sais que l'eau est plus lourde que l'air". C'est vrai, l'eau liquide est plus lourde ou plus dense que l'air. Mais, l'eau qui rend l'air humide n'est pas liquide. C'est de la vapeur d'eau, un gaz plus léger que l'azote ou l'oxygène. (Connexe : Comprendre l'eau dans l'atmosphère).

Par rapport aux différences faites par la température et la pression atmosphérique, l'humidité a un petit effet sur la densité de l'air. Mais, l'air humide est plus léger que l'air sec à la même température et pression.

Effets de la densité de l'air sur les avions, les balles de baseball, les voitures de course

Un air plus dense ou "plus lourd" ralentira davantage les objets qui le traversent car l'objet doit, en effet, repousser des molécules plus nombreuses ou plus lourdes.

Une telle résistance de l'air est appelée "drag", qui augmente avec la densité de l'air. Les joueurs de baseball ont découvert que les home runs se déplacent plus loin dans l'air moins dense à haute altitude à Denver que dans les parcs de balle à basse altitude. La traînée réduite ralentit la balle à un rythme plus lent, ce qui signifie qu'elle se déplace plus loin. (Connexe : Pourquoi les balles de baseball volent plus loin à haute altitude).

L'air frais et dense ralentit une voiture de course, mais certaines voitures de course profitent de l'air dense. Les voitures conçues à partir des roues pour la course sont vraiment comme des ailes d'avion à l'envers que l'air pousse vers le bas sur la piste, augmentant leur adhérence dans les virages. L'air plus dense pousse alors plus fort. (Connexe : les équations gagnantes des coureurs automobiles incluent la météo)

Les pilotes d'avion ne font pas aussi bien que les joueurs de baseball lorsque la densité de l'air diminue. Une densité de l'air plus faible pénalise les pilotes de trois manières : la force de levage sur les ailes d'un avion ou le rotor d'un hélicoptère diminue, la puissance produite par le moteur diminue et la poussée d'une hélice, d'un rotor ou d'un moteur à réaction diminue. Ces pertes de performances ont plus que compensé la traînée réduite de l'avion dans un air moins dense.

Les pilotes utilisent des graphiques ou des calculatrices pour découvrir comment la température et la pression atmosphérique à un moment et à un endroit particuliers affecteront la densité de l'air et donc les performances de l'avion. En général, ces calculs ne prennent pas en compte l'humidité car ses effets sont bien moindres que les autres. Lorsque la densité de l'air est faible, les avions ont besoin de pistes plus longues pour décoller et atterrir et ils ne montent pas aussi rapidement que lorsque la densité de l'air est élevée.

La densité de l'air affecte également les performances des automobiles, une densité inférieure diminuant les performances de la même manière qu'elle diminue les performances des moteurs d'avion.

Les turbocompresseurs ou compresseurs sont des moyens d'augmenter la densité de l'air entrant dans un moteur. Ils donnent aux automobiles plus de puissance au sol et permettent aux avions de voler plus haut dans un air plus fin qu'ils ne le feraient autrement.

Les pilotes utilisent « l'altitude-densité » pour établir un lien entre la densité de l'air et les performances de l'avion. Pour en savoir plus sur l'altitude-densité, vous pouvez lire un article que j'ai rédigé pour la formation en vol de l'Aircraft Owners and Pilots Association.


Section 2.3 - PRESSION

L'atmosphère s'étend vers le haut sur des centaines de kilomètres. L'attraction de la gravité terrestre sur les molécules d'air (voir figure 2-3a) crée une pression qui pousse dans toutes les directions et s'élève à environ 14,7 livres par pouce carré (psi) au niveau de la mer. Il s'agit de la pression atmosphérique un jour standard au niveau de la mer. Cette pression supportera 29,92 pouces de mercure dans un baromètre, qui est l'instrument qui fournit la pression atmosphérique locale que vous entendez dans vos bulletins météorologiques quotidiens à la télévision.

Comme vous le savez, des changements de pression se produisent à la surface de la Terre lorsque des cellules à haute et basse pression se forment et se déplacent à travers la surface. Cependant, des changements de pression atmosphérique se produisent pour les aviateurs non seulement lorsqu'ils entrent ou sortent des cellules à haute et basse pression, mais aussi lorsqu'ils montent ou descendent dans leurs avions. C'est parce que la pression atmosphérique change avec l'altitude (altitude plus élevée - moins de pression, altitude plus basse - plus de pression).

Considérons l'atmosphère totale de la Terre. Nous constatons qu'il s'étend de la surface vers l'extérieur dans ce que nous appelons l'espace. Lorsque nous voyageons vers l'extérieur (vers le haut), il y a moins de pression car il y a moins de molécules d'air au-dessus de nous. À 18 000 pieds, la pression est environ la moitié de celle à la surface. Si nous continuons à voyager vers l'extérieur, la pression continue de diminuer jusqu'à ce qu'il n'y ait plus de pression mesurable et, à toutes fins utiles, nous sommes dans l'espace. Peu d'aviateurs sont concernés par les hautes altitudes et les pressions extrêmement basses qui en résultent, car l'altitude maximale de fonctionnement (plafond) pour la plupart des petits avions est de 20 000 pieds ou moins. Même à l'altitude relativement basse de 12 500 pieds, les pilotes sont tenus par la réglementation de respirer de l'oxygène supplémentaire.

Les facteurs poids, densité, température et pression de l'atmosphère interagissent et l'un ne change pas sans affecter les autres. Cependant, le changement de température est la principale raison du changement de pression atmosphérique et de densité. Regardons comment la température provoque ces changements. Pour ce faire, il faut utiliser un point de départ et le point de départ accepté est connu sous le nom d'atmosphère standard. L'atmosphère standard est basée sur des conditions moyennes à 40° de latitude nord où la pression moyenne est de 29,92 pouces de mercure et la température moyenne est de 59° Fahrenheit (F) ou 15° Celsius (C).

Dans des conditions normales, la température diminue d'environ 2 °C ou 3,5 °F pour chaque augmentation de 1 000 pieds d'altitude. Les variations par rapport à cette norme sont courantes et la diminution standard n'est pas toujours trouvée. Par exemple, ce qu'on appelle une inversion de température peut en fait provoquer une augmentation plutôt qu'une diminution de la température à certains endroits.

La température change aussi horizontalement et verticalement dans l'atmosphère (voir figure 2-2b). Son degré de variation dans n'importe quelle direction dépend en partie de la mesure dans laquelle la surface de la Terre est exposée au Soleil, notre principale source de chaleur. Les rayons du soleil pénètrent dans l'atmosphère et chauffent la surface de la Terre, qui à son tour chauffe l'atmosphère voisine. La température atmosphérique est basée sur la quantité de chaleur absorbée ou réfléchie par la surface de la Terre. Le sable, l'eau et les surfaces boisées diffèrent par la quantité de chaleur qu'ils absorbent et réfléchissent, de sorte que l'air au-dessus d'eux sera chauffé différemment.

Pression : Omnidirectionnelle. FORCE de mouvement PAR UNITÉ DE SURFACE.

La relation entre la température, la densité et la pression peut prêter à confusion (voir figure 2-3b). Si un pied cube d'air à la surface de la Terre est chauffé, l'air se dilatera et s'élèvera dans l'atmosphère. Ce pied cube d'air peut alors occuper deux pieds cubes. Sa pression et sa densité auront diminué. Au fur et à mesure que l'air monte et se dilate, la chaleur qu'il contient se répand sur une plus grande surface et sa température diminue avec l'altitude. De plus, à mesure que l'air s'élève, il reçoit de moins en moins de chaleur supplémentaire de la surface de la Terre.


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JE PEUX LIRE

La lumière est une sorte d'énergie qui peut voyager dans l'espace.

La lumière du soleil ou d'une ampoule semble blanche, mais c'est vraiment un mélange de plusieurs couleurs. Les couleurs en lumière blanche sont le rouge, l'orange, le jaune, le vert, le bleu et le violet. Vous pouvez voir ces couleurs lorsque vous regardez un arc-en-ciel dans le ciel.

Le ciel est rempli d'air. L'air est un mélange de minuscules molécules de gaz et de petits morceaux de matière solide, comme de la poussière.

Lorsque la lumière du soleil traverse l'air, elle heurte les molécules et la poussière. Lorsque la lumière frappe une molécule de gaz, elle peut rebondir dans une direction différente.

Certaines couleurs de lumière, comme le rouge et l'orange, passent directement dans l'air. Mais la majeure partie de la lumière bleue rebondit dans toutes les directions. De cette façon, la lumière bleue est dispersée dans tout le ciel.

Lorsque vous levez les yeux, une partie de cette lumière bleue atteint vos yeux de partout dans le ciel. Puisque vous voyez la lumière bleue de partout au-dessus, le ciel semble bleu.

Dans l'espace, il n'y a pas d'air. Parce qu'il n'y a rien pour que la lumière rebondisse, elle va tout droit. Aucune lumière n'est dispersée et le "ciel" semble sombre et noir.


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(1) L'air a-t-il une masse ? Comment savez-vous? L'air a-t-il du poids ? Comment savez-vous?

[La masse est une mesure de la quantité de « truc » dans un objet ou une substance. La matière est constituée d'atomes et de molécules (ou de parties de celles-ci), qui ont une masse. Par conséquent, l'air, qui consiste en un mélange de plusieurs types de molécules différents, a certainement une masse.

Le poids est simplement la force exercée sur un objet ou une substance par gravité. Tout ce qui a de la masse sur la terre a du poids, c'est-à-dire que la gravité tire sur tout ce qui a de la masse, donc l'air a certainement du poids.]

(2) Pourquoi l'air ne tombe-t-il pas simplement au sol lorsqu'il est tiré par la gravité ?

[En l'absence de toute autre force agissant sur l'air, alors les molécules comprenant l'air tomberaient certainement simplement au sol sous l'effet de la gravité. Parce que l'air ne se comporte pas de cette façon, il s'ensuit qu'une autre force doit pousser vers le haut sur l'air avec approximativement la même force que la gravité tire vers le bas. (L'air monte et descend certainement dans l'atmosphère, donc les deux forces ne peuvent pas toujours s'équilibrer exactement, mais elles se rapprochent dans la plupart des situations.)

La seule force qui pourrait agir pour équilibrer la force de gravité est la force exercée par la pression (qui est elle-même la force collective par unité de surface exercée par des molécules d'air en mouvement aléatoire, entrant en collision avec leur environnement immédiat).]

(3) Dans une colonne d'air imaginaire s'étendant de la surface de la terre au "sommet" de l'atmosphère et couvrant une unité de surface à sa base, quelle est la relation approximative entre la pression à un niveau particulier de la colonne et le total poids (par unité de surface) d'air dans la colonne au-dessus de ce niveau ? Qu'implique cette relation sur la variation de la pression avec l'altitude dans l'atmosphère ? Pourquoi?

[ La pression à un niveau particulier dans la colonne doit être approximativement égale au poids total (par unité de surface) d'air dans la colonne au-dessus de ce niveau. Si ce n'était pas approximativement vrai, alors la gravité attirerait l'air vers la surface ou la force de pression pousserait l'air dans l'espace.

C'est presque un point trivial que plus vous êtes haut dans une colonne d'air imaginaire dans l'atmosphère, moins il y a de quantité totale d'air dans la colonne au-dessus de vous. (Ceci est indépendant de la densité de l'air, ce serait vrai même si la densité de l'air augmentait avec l'altitude !) Par conséquent, il s'ensuit que plus vous êtes haut, moins la pression est nécessaire pour équilibrer approximativement le poids total de l'air au-dessus de vous. Par conséquent, à mesure que l'altitude augmente, la pression diminue, comme nous l'observons en fait.]

(4) L'atmosphère a-t-elle un « top » ? Quelle est la profondeur de l'atmosphère? Comment décidez-vous comment répondre à une telle question?

[Il serait très difficile de définir un "top" clair pour l'atmosphère. L'idée suggère un niveau au-dessus duquel il n'y a pas de molécules d'air, mais presque peu importe où nous essayons d'établir un tel niveau, les mouvements aléatoires des molécules d'air entraîneront presque certainement une ou des molécules qui finiront par passer notre "sommet" présumé. Bien qu'il y ait une quantité finie d'air dans l'atmosphère, l'air devient de moins en moins dense au fur et à mesure que l'on monte, sans jamais vraiment atteindre une densité nulle.

À diverses fins pratiques, il pourrait suffire de dire que le « sommet » est le niveau en dessous duquel se trouve un certain pourcentage d'air, disons 99 %, 90 %, 80 %, ou tout ce qui semble suffisant pour le but recherché. (The tropopause or the stratopause might be handy levels to use for some purposes, for example.) ]

(5) Figure 2 (attached) shows two simplified, imaginary columns of air in the atmosphere. Both columns cover a unit of surface area at the bottom and are both divided into ten "bricks" of air. All of the bricks in the figure have the same weight. (The brick on top of each column doesn't have a "top" and so is shown extending upwards indefinitely.)

The large-scale regions of the atmosphere (i.e., 100's of km or more across) of which each column is merely a part, are at different temperatures through most of the troposphere. [I've greatly exaggerated the differences between these columns compared to the real atmosphere.]

On the average, the troposphere contains about 80% of all of the air in the atmosphere. In each column in Figure 2 , approximately where is the tropopause?

[By this standard, the tropopause would lie at the level of the top of the eighth "brick" of air, counting upward from the bottom of the column. Eight out of ten "bricks" of air lie below that level, so 80% of the mass of the air in the column lies below that level. (As in the real atmosphere, though, this level is at a different altitude in the two columns because the heights of the bricks differ between the columns.)

If the surface pressure were 1000 mb (a reasonably typical value, and a nice round number for our purposes here), then the pressure at the tropopause would be only 20% as great (in this idealized example, the total weight of air above the tropopause𔃊 bricks' worth—is only 20% as great as the total weight of air above the surface󈟚 bricks' worth). That means that the pressure at the tropopause is about 200 mb in this example. That's pretty typically in the real atmosphere, too.

By similar reasoning, we can estimate that the level where the pressure is about 500 mb, say, should be at the top of the 5th brick from the bottom. At that level, the weight of air above (5 bricks' worth) is half of what it is at the surface (10 bricks' worth), to the pressure would be half as great as at the surface.]

(6) Densité is a measure of how packed together the mass of a material is. It can be defined as the mass of material (expressed in grams, kilograms, ounces, pounds, etc.) per unit of volume of the material (expressed cubic centimeters, cubic meters, liters, cubic feet, gallons, etc.).

In Figure 1 , in which column is the air at the earth's surface less dense ? Comment pouvez-vous dire? In which column is the air in the lower troposphere warmer ? How can you tell (that is, what principles to you have to apply to tell)? If these two columns were located somewhere in the Northern Hemisphere at different latitudes, which one would be farther north?

[Density is a measure of how packed together or concentrated the mass of an object is. It can be calculated by dividing the mass of an object by the volume of space it occupies (giving us the mass of material in the object per unit volume of space). With this understanding, air at the surface in the left-hand column is less dense. Each brick of air has the same weight, but the bottommost brick in the left-hand column occupies more space than the bottommost brick in the right-hand column. Hence, a given amount of mass in the left-hand column is more spread out, or less concentrated—hence, less dense—than the same amount of mass in the right-hand column. Equivalently, we could imagine dividing the mass of the bottommost brick in each column by the volume of the corresponding brick. The masses of the two bricks are the same, but the left-hand brick has the greater volume (it's larger), so the mass divided by volume would be less in the brick in the left-hand column and it is hence less dense.

A handy physical relation that can help us determine in which column the air is warmer, is the ideal gas law, which states that pressure in a gas is proportional to the product of its (absolute) temperature and its density. Including a constant of proportionality allows us to write this relation as an equation:

Ideal Gas Law: pressure = constant x [(absolute) temperature] x density

(The absolute temperature is expressed in Kelvins. It is zero when random motions of molecules cease—it's not possible to get any colder than that!)

From (3) above we know that the pressure on the bottommost bricks in each column is the same because there are nine bricks above each, implying the same pressure on each. If the pressure is the same, then the gas law tells us that the produce of absolute temperature and density must be the same. But the left-hand brick is less dense, so it follows that the temperature in the left-hand brick must be greater than in the corresponding brick in the right-hand column. The same reasoning would apply to the second bricks up from the bottom in the two columns, and at least several more up the columns.

If these columns were located at different latitudes in the Northern Hemisphere, the right-hand column would probably be farther north than the left-hand column, because temperature in the lower troposphere generally decreases with increasing distance from the equator.]

(7) At the surface, in which column is the pressure relatively higher (or lower, or are they the same)? What about at level C ? Level B ? Level A ? Comment pouvez-vous dire? At which of these levels is the pressure difference the greatest? Can you generalize about how the pressure difference varies with respect to altitude in this example?

[From (3) above we'd conclude that at the surface the pressure is the same—there is the same total weight of air above that level (ten bricks' worth) in both columns, and therefore the same pressure.

At levels C, B and A, the pressure is higher in the warmer, left-hand column, because at each of those levels there is more total weight of air above that level in the left-hand column than in the right-hand column. (Simply count the bricks!) The pressure difference at level C is the equivalent of about half a brick's worth. At level B it's almost a brick's worth, while at level A it's more than one brick's worth. Hence the pressure difference between the columns is greatest at level A.

The reason why there is more total weight of air above any level in the left-hand column than in the right-hand column (except at the surface) is because the bricks below each level are warmer and hence more expanded (at the same pressure) compared to the right-hand column. If bricks below a given level expand, they push the air sitting on top of them upward, and some air that lies below the given level in the cooler, right-hand column gets pushed above that level in the warmer, left-hand column. This means that the total weight of air above that level in the left-hand column is greater than it is in the right-hand column, and so the pressure at that level must be greater, too.

In general, the pressure difference increases with altitude, at least up to about level A. Above that the pressure difference between columns decreases, because the temperature difference between the columns reverses in the stratosphere (roughly above the eighth brick).]

(8) If the warmer column represents the cooler column after the large-scale region containing the cooler column is heated, how does the pressure at level B change in response to the heating? Pourquoi? [Note that when a large-scale region is heated or cooled, parcels can't really expand or contract sideways because their neighbors are trying to do the same thing. Rather, they expand or contract vertically only.] How does pressure at the surface change in response to the heating (at least at the point shown in the figure)? Pourquoi?

[The pressure at level B would go up in response to large-scale heating of air below level B, for the reason basically described in (7) above. The surface pressure doesn't change in this example because there are still ten bricks of air of the same width (and hence covering the same area) sitting on the surface before and after the heating, and hence the same pressure. (We had to specify that the heating occurs in the large-scale region containing the column to make sure that the columns surrounding the one pictured are also heated. This prevents the bricks in any column from expanding sideways—their attempts to expand sideways cancel each other out because they're all trying to do it. This means that they can only expand upward. By not expanding sideways, the total weight above each unit of area—which is what the pressure must approximately equal—remains the same in this example.]

(9) What relation can you suggest between the relative pressures at a given level aloft (say, levels A , B , or C for example) and the relative temperatures of the air au dessous de that level? What about a relation between temperature and pressure at the surface, at least in this example?

[ Warmer temperatures in the lower troposphere produce higher pressures aloft. ("Aloft" means significantly far above the surface--say, middle and upper troposphere.) Colder temperatures in the lower troposphere produce lower pressures aloft. In contrast, there doesn't seem to be any direct relation between temperature in the air columns (on large scales) and surface pressure. (If there is a connection, it must be indirect limited to certain circumstances not shown here, at least not yet.)]

(10) Since heating or cooling by themselves don't seem to affect the surface pressure in these columns directly [at least according to your results from (9) ], what must happen to cause the surface pressures to change? [Hint: use the relation between pressure at any level and the total weight of air above that level.]

[To change the surface pressure we'd have to add air to or remove air from a column. Since air can't come up out of or depart through the earth's surface, and there's isn't any real "top" into or out of which air can come or go, it appears that air has to come in or go out the sides of the column. Such horizontal motions of air are simply winds .

However, it isn't enough simply to say "winds" are necessary to change the amount of air in the column, because if air enters a column as fast as it leaves the column, then there would be no net change in the amount of air in the column and hence no change in the surface pressure. We have to have either convergence--that is, more air entering the column than leaving it or divergence--that is, more air leaving the column than entering it.

On a weather map (where we're looking down on the winds from above), here are some simple examples of convergent wind patterns (where longer arrows mean faster winds, and the width of the arrows has no special meaning):

Here are some simple examples of divergent wind patterns:

(11) Assuming that the surface pressure is around 1000 mb, draw isobars between the two columns for 850 mb, 500 mb, and 300 mb. In which column are these isobars higher above sea level? At what level are they sloped the most?

[They slope the most at around level A, which is near the tropopause, above which the temperature difference between columns reverses. In the middle latitudes, the tropopause is typically where the horizontal pressure gradient is largest, too. And this is where wind speeds in the jet stream at midlatitudes are typically the fastest.]

What relation do you see between the relative altitude above sea level where you find a given pressure, and the temperature of the air below that altitude?

[Warmer air below means higher pressure aloft, and colder air below means lower pressure aloft, relative to surrounding areas.]

[From this point on, we explored the implications of the connections between temperature and pressure in air columns for a situation in which the two columns lie on opposite sides of a coastline, one over land and the other over water, not very many miles apart. During the day, the sun shines equally on the land and nearby ocean, but water is much harder to warm up than rock, sand, and soil, so the land warms up more than the water and so the air in direct contact with the land warms (by conduction) more than the air in contact with the water. Convection redistributes the heat upward so that a deeper layer becomes heated, but usually this doesn't penetrate much beyond the lower troposphere (unless the atmosphere becomes unstable, which can happen, especially over the sun-heated land). In this scenario, the right-hand column in Figure 1 below would rest on the ocean and the left-hand column would rest on land.

At this point, as noted above, there is no pressure difference between the columns (across the coastline) at the surface, but there are pressure differences between the two columns aloft. We typically indicate that the pressure at some level aloft is relatively higher than nearby areas (at the same level) by putting an "H" there, and similarly we put an "L" where the pressure aloft is relatively lower than nearby areas (at the same level). So, in this case, we could write "H" in the left-hand column at any level aloft (say, levels A and B, or even C) and "L" at the same level(s) in the right-hand column, where the pressure is lower. Farther to the right of the right-hand column the air in the lower troposphere is comparable in temperature to that in the column, so the pressure aloft would be about the same as in the column. Similarly, to the left of the left-hand column, the temperature in the lower troposphere would be similar to what it is in the column itself, so the pressure at any level aloft would be similar to what it is in the column. This means that there is little or no pressure gradient to the left of the left-hand column (over land) or to the right of the right-hand column (over the ocean).

There is, however, a pressure gradient between the two columns at various levels aloft. This pressure gradient implies a pressure gradient force that pushes that air into motion, toward the lower pressure. Because the two columns are not very far apart (say, tens of kilometers or less), the Coriolis force doesn't have time to affect the motions very much, so the flow of air is pretty much from higher toward lower pressure. There's no flow of air farther away over the ocean or over land, though, because there's no pressure gradient there to push air into motion.

The resulting wind pattern aloft is clearly convergent into the cooler column over the ocean (air is coming into the column from over land, while none is leaving oceanward). Similarly, the wind pattern aloft is clearly divergent out of the warmer column over land (air is leaving the area and headed toward the ocean, pushed by the pressure gradient force, but there is no air coming from farther inland to replace it).

The convergence into the cooler column aloft over the ocean adds air to the column, thereby increasing its weight, which raises the surface pressure over the ocean near the coast. Conversely, divergence out of the warmer column aloft over land removes air from the column, decreasing its weight, which lowers the surface pressure over land near the coast. We can now write an "H" at the base of the cooler, right-hand column over the ocean and an "L" at the base of the warmer, left-hand column over land, to indicate the pressures there relative to nearby areas (including each other) at the same level (elevation).

Now there is a pressure difference between the two columns at the surface. This pressure difference creates a pressure gradient force that pushes air into motion across the coast from the cooler column over the ocean toward the warmer one inland. (Again, the relatively small distance involved means that the Coriolis force doesn't have time to affect the winds very much before they cross the coast.) If you were standing on the coast, you'd feel a relatively cool wind blowing from the ocean toward land (that is, an onshore wind). This breeze is called the sea breeze.

The surface winds are clearly divergent out of the higher pressure area at the base of the cooler column over the ocean. Air must come from somewhere to replace this diverging air (or else a vacuum would develop there, which doesn't happen in the atmosphere). At the same time, air is converging aloft into the same column, and that converging air has to go somewhere. The solution to both problems: air descends from aloft to the surface in the cooler column.

Conversely, surface winds are clearly convergent into the lower pressure area at the base of the warmer column over the ocean. This converging air has to go somewhere. At the same time, air is diverging out of the same column aloft, and air must come from somewhere to replace it. The solution to both problems: air rises from the surface upwards.

The complete picture that we get is a circulation of air, with onshore flow at the surface, offshore flow aloft, rising air over the sun-warmed land, and sinking air over the cooler ocean nearby. Such a circulation is called a convection cell. It is driven by the temperature difference between the land and water.

At night, the opposite pattern develops. Water is harder to cool off than rock, soil, and sand, so although both the land surface and the water surface lose heat at night at similar rates (by emitting more longwave infrared radiation upward than they receive back, emitted downward by greenhouse gasses and clouds in the atmosphere), the land cools more as a result and becomes colder than the ocean surface nearby. In that scenario, the right-hand column below would represent air over land and the left-hand column would represent air over the nearby ocean. The surface wind that develops would blow from land across the coastline toward the ocean and would feel relatively cool. Cela s'appelle un land breeze, and it is an offshore wind.]

Figure 1 : Two imaginary columns of air in the atmosphere, divided arbitrarily into equal-weight "bricks" of air. The top-most brick in each column extends indefinitely.