Thermodynamique de l'atmosphère

introduction Introduction
Jusqu’à environ 100 km d’altitude, l’air atmosphérique se présente comme un mélange de gaz homogène constitué en grande majorité d’azote N2 (75,5 % de la masse) et d’oxygène O2 (23,1 % de la masse), qui sont tous deux des gaz diatomiques. Cette caractéristique apparemment anodine est fondamentale pour déterminer le comportement de l’air vis-à-vis des échanges d’énergie et notamment de chaleur (l’agitation moléculaire dépend de la structure des molécules gazeuses).

Dans ce chapitre nous allons voir comment réagit l’air - considéré comme un gaz parfait - lorsqu’il subit une modification de ses variables d’état (pression P ; température T ; masse volumique ρ; ou volume V), c’est-à-dire lorsqu’il subit une transformation thermodynamique.

Par ailleurs, un gaz atmosphérique présent de façon inhomogène et en faible quantité (3-4 % maximum en zones tropicales et moins de 0,1 % en zones polaires) joue un rôle primordial dans la redistribution de l’énergie tant à l’échelle planétaire qu’à l’échelle locale : c’est la vapeur d’eau. En effet, les changements de phase subis par la molécule d’H2O s’accompagnent d’échanges d’énergie sous forme de chaleur. Nous verrons donc l’influence de la vapeur d’eau sur la thermodynamique de l’air atmosphérique.
 
Définition

gaz parfait : C'est un gaz dont les molécules peuvent être considérées comme des points matériels éloignés les uns des autres et sans interaction, les dimensions des molécules étant très faibles devant les distances intermoléculaires et les forces intermoléculaires (attraction, répulsion) étant nulles. L'air atmosphérique se comportant comme un gaz parfait, sa pression P, sa température T, et son volume V sont reliés par l'équation des gaz parfaits suivante, où n est le nombre de mole d’air et R = 8,314 J K-1 mol-1 est la constante universelle des gaz parfaits : PV=nRT

En météorologie, on utilise rarement cette expression qui fait intervenir le volume, grandeur inadaptée lorsqu’il n’y a pas de contenant. On utilise la masse volumique définie par :

Sachant que le nombre de mole n est égal au rapport de la masse m sur la masse molaire fictive de l’air Ma = 28,96x10-3 kg mol-1, l’équation des gaz parfaits devient :

Définition

transformation thermodynamique : On dit qu’une particule d’air subit une transformation thermodynamique lorsque ses paramètres (pression P, température T, masse volumique ρ) varient. Si la variation de ces paramètres est infinitésimale, la transformation est dite élémentaire.