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Monday 15 October 2018 15:17

Dossier thématique sur les inversions de température

Que se cache-t-il derrière les notions de stabilité et d’instabilité ?
Prenons tout d’abord un exemple simple et concret :


Sur le dessin de gauche la boule est à l’état stable. Si on lui donne un mouvement quelconque elle bougera, oscillera mais finira toujours par regagner un état stable et immobile. Si on imagine que le récipient contenant la boule est un bol, alors quel que soit le choc donné à la boule elle finira toujours par regagner son point initial : le point le plus bas du bol, à moins de lui donner un choc suffisamment violent pour lui faire quitter le bol !

Sur le dessin de droite la boule est, elle aussi, immobile initialement mais le moindre choc suffit à la faire tomber sans qu’elle revienne se placer en haut : la boule est à l’état instable.

L’atmosphère peut aussi se retrouver dans un état stable ou instable.

Ainsi en simplifiant énormément et en imaginant que le déplacement de la boule représente la formation d’un orage, il faut un choc et donc une force extrêmement puissante pour la faire quitter son état initial en profil stable et pour qu’un orage se forme (seul les reliefs disposent généralement de l’énergie nécessaire) alors qu’en profil instable, une force de petite taille suffit.

Si on prenait un paquet d’air au niveau du sol, qu’on l’isolait thermiquement de son environnement et qu’on le lançait vers le haut en suivant l’évolution de sa température, on constaterait une diminution de 1°C tout les 100 m. Si on le repousse vers le bas il se réchaufferait à la même vitesse. Cette évolution de température de 1°C tout les 100 m représente une sorte de valeur normale dite adiabatique. Elle apparaît toujours lorsqu’un volume d’air donné et bien délimité se déplace verticalement. Le profil thermique de l’atmosphère peut s’éloigner considérablement de cette « normalité ». En général la température diminue moins rapidement avec l’altitude, on parle alors de profil sous-adiabatique, il n’est même pas rare qu’elle augmente. Ce cas est fréquent dans le Massif-Central et en général dans la plupart des vallées, qui sont par définition entourées de montagnes, à la fin de l’automne et en hiver plus particulièrement, et on l’appelle inversion.

En revanche, dans les décamètres inférieurs de l’atmosphère (donc près du sol), un fort ensoleillement peut entraîner une augmentation altitudinale de température supérieure à 1°C tous les 100 m : un tel profil est dit suradiabatique. Il est généralement signe d’instabilité : une bulle chaude formé près du sol va se former puis s’élever (l’air chaud étant plus léger), le refroidissement étant important elle va finir par se condenser tout en gagnant de l’énergie et en poursuivant son ascension, un orage peut alors se former. La formation d’un orage est bien entendue beaucoup plus complexe que ça, elle est très bien expliquée et détaillée dans le livre Traqueur d’orages d’Alex Hermant. Ce cas de profil suradiabatique se produit aussi lors d’un front froid où une masse d’air froid repousse une masse d’air chaude, l’air froid, plus lourd, se déplace moins rapidement au sol qu’en altitude créant ainsi un décalage qui accentue les contrastes. Les rafales qu’on rencontre lors des lignes d’orages associées à un front froid ne sont rien d’autre que des paquets d’air froid qui tombent de très haut et sont repoussés latéralement lorsqu’ils heurtent le sol.

Revenons-en aux inversions. L’inversion de subsidence se forme souvent par temps anticyclonique. Ce phénomène est lent mais durable. Les couches d’air qui descendent depuis de très grandes altitudes se trouvent comprimées les unes aux autres, créant une inversion.

L’inversion de rayonnement, la plus fréquente, est due au fait que le sol, lorsque le soleil est couché, rayonne plus de chaleur qu’il n’en reçoit de l’atmosphère. Il se refroidit donc (d’autant plus rapidement que le ciel est dégagé et l’atmosphère calme, ainsi dans ce cas le vent brasse l’air et agit comme un frein sur la chute éventuelle des températures nocturnes), et devient plus froid que l’atmosphère sus-jacent : une inversion se produit.

Ainsi la nuit par temps clair une inversion se produit systématiquement au moins au niveau du sol : un thermomètre placé au niveau du sol relève des températures minimales plus basses (avec parfois des écarts étonnants) qu’un thermomètre placé sous un abri normalisé à 1m50 de celui-ci. La couche d’inversion varie de quelques centimètre jusqu’à quelques mètres et parfois plusieurs centaines de mètres dans les cas qui nous intéressent.

En cas de forte humidité, ce refroidissement permet de rapidement atteindre le point de rosée (température à partir de laquelle l’air est saturée en humidité et qui oblige donc celle-ci à se condenser), quand la température et le point de rosée se rejoignent il y a alors condensation de la vapeur d’eau présente dans l’air et formation de rosée ou gelée suivant la température puis de brouillard, fréquent lors des inversions.

Une inversion naturelle et permanente existe déjà dans l’atmosphère à l’altitude de 12 km à notre latitude : à partir de cette hauteur la température recommence à augmenter lentement. Cette augmentation de température est due à la présence d’ozone à cette altitude : l’ozone absorbe les dangereux ultra-violets et se réchauffe. La couche de l’atmosphère située en dessous de cette limite est appelée la troposphère : c’est dans celle-ci que se déroulent tout les phénomènes météorologiques. Au dessus se trouve la stratosphère qui s’étend jusqu’à l’altitude de 50 km et dans laquelle la température remonte jusqu’à 0°C. La limite entre les deux couches s’appelle la tropopause. La tropopause se trouve donc à environ 12 km dans nos régions mais elle est plutôt à l’altitude de 16 km à l’équateur et de 8 km aux pôles. La températures y est généralement de -55°C à -60°C. On comprend aisément que les pôles étant bien plus froid que l’équateur, cette température est plus rapidement atteinte et donc que la troposphère est moins épaisse, la différence de température entre le sol et la tropopause est souvent faible et l’atmosphère est donc généralement stable. A l’inverse, vers l’équateur la différence de température entre sol et tropopause est très importante, la stratosphère est plus épaisse et l’atmosphère beaucoup plus instable. Nous nous trouvons pile à la limite des deux et c’est pourquoi nous connaissons un climat tempéré et assez varié car partagé entre ces deux états.

Revenons-en à cette inversion à partir de la tropopause, elle explique par exemple les enclumes des Cumulonimbus : il se développent sans problème tant que la température diminue avec l’altitude, en revanche cette couche d’inversion agit comme un couvercle et bloque le développement vertical : les courants ascendants sont alors bloqués et s’éparpillent horizontalement créant ainsi l’enclume, parfois ils « rebondissent » même contre ce couvercle et repartent vers le bas : c’est ce phénomène qui forme les mammatus. Dans de rares cas, le courant ascendant est si puissant qu’il traverse la tropopause et entraîne un paquet de nuages jusqu’aux étages inférieurs de la stratosphère, avant de perdre sa vitesse et de retomber, ce phénomène est appelé sommet pénétrant. Cela produit une poussée verticale au dessus de l’enclume normalement plate. Ces deux cas sont généralement signe d’orages violents et qui nécessitent donc une vigilance particulière.

A part cette inversion naturelle, les autres inversions sont dues aux conditions météorologiques et plus particulièrement aux anticyclones hivernaux responsables des nuits calmes et (dans un premier temps) claires nécessaire à la formation et au développement d’une inversion. Comme on le sait les inversions empêchent rigoureusement tout échange vertical. Par conséquent tous les polluants atmosphériques accumulés dans l’inversion avec le temps ne peuvent se disperser vers le haut. Au contraire ils s’accumulent avec la vapeur d’eau, la brume et les impuretés naturelles comme la poussière et autres, atteignent de très fortes concentrations jusqu’à ce que l’inversion apparaisse nettement sous forme d’une couche grise brunâtre. Les inversions sont donc à l’origine de pics de pollution en milieu urbain et peuvent devenir critiques si elles persistent trop longtemps. Au-dessus de sa limite supérieure, parfaitement nette, le ciel bleu paraît à l’inverse pur et propre et la vue peut alors devenir exceptionnelle : à ce niveau, le profil thermique est à peu près adiabatique et les impuretés atmosphériques peuvent donc se disperser verticalement et de plus il n’y a pas d’apport nouveau de « polluants » visuels ou atmosphériques car ceux-ci sont tous bloqués en dessous.

Dans les régions éloignées des villes, la concentration d’émissions polluantes dans une inversion reste bien inférieure à celle des milieux urbains, mais il se forme très facilement une couche de nuage (stratus) au niveau du plafond de l’inversion et parfois jusqu’au sol, au-dessus de cette couche de stratus, souvent appelée mer de nuage vue d’en haut pour des raisons facilement compréhensibles, la vue porte là-aussi parfois à des distances incroyables jusqu’à quelques centaines de kilomètres.

Dans certains cas, on constate des profils thermiques exceptionnelles, ainsi si des augmentations de 10-15°C en quelques centaines de mètre ne sont pas rares, une augmentation de 31°C en 90 m a déjà été mesurée en Autriche !

On a vu que lorsque l’air est humide en plaine et surtout en vallée, le brouillard n’a aucune difficulté à se former et si l’inversion se prolonge il peut s’épaissir ou se stabiliser au fil des jours. Si un vent violent souffle au-dessus de l’inversion, des ondulations apparaissent sur le plafond de celle-ci, un peu comme à la surface de l’eau, renforçant ainsi le rapprochement avec la mer. Si le vent est assez fort pour pénétrer profondément dans l’inversion par les vallées ouvertes, il se produit un brassage de l’air de plus en plus important capable de dissiper l’inversion en peu de temps. C’est comme ça que la plupart des inversions prennent fin. Un soleil trop puissant est aussi capable de « dissoudre » une inversion.

Cependant certaines inversions sont si puissantes que seul un coup de vent violent peut les balayer. Dans le cas contraire l’inversion peut persister plusieurs semaines sans difficulté.

Le plafond d’une inversion est comparable en tout point à la tropopause, ainsi des courants ascendants violents peuvent parfois arriver à les percer, mais ici il ne sont pas créés par des cumulonimbus mais par des cheminés d’usines : la vapeur est si chaude en quittant la cheminée qu’elle parvient à s’opposer aux forces stabilisatrices de l’inversion et à jaillir au-dessus du plafond. C’est pourquoi les longueurs des cheminés d’usines en zone urbaine sont parfois calculées de manière à passer par-dessus les plafonds d’inversions les plus fréquentes et se répandre ainsi dans la couche d’air pur.

Voici quelques exemples en photo :



Inversion et vue exceptionnelle dans le Massif du Pilat




Inversion et avec brouillard dans le Massif du Pilat.




Quelques exemples de forçage de la couche d’inversion par les fumées des usines de la vallée du Rhône vu depuis le col de l’Oeillon


Le vent fait des vagues sur la mer… de nuages !


Dans l’inversion la visibilité est plus réduite…


Limite d’inversion dans les Alpes : poussé par le vent, le brouillard « s’écrase » contre la montagne comme une vague sur un rocher


Brume dans les vallées alpines


Mer de nuage dans les Alpes

Dossier établit par Greg le 21/06/2006 - Toute reproduction interdite - © La Météo du Massif Central

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