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Météorologie




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La formation des nuages, la température du ciel, la couleur rose





Thème : la formation des nuages, la température du ciel, la couleur rose

Question 1 : 

A l'issue de notre travail sur "comment se forment les nuages", voici 3 questions de mes élèves :
    1) Certains jours, le ciel est bleu, pourquoi n'y a-t-il pas de nuages ?
Proposition d'un élève : il n'y a pas assez de froid dans le ciel, le soleil chauffe beaucoup, il n'y a pas de condensation.
    2) Puisque le soleil chauffe tout : la terre, l'air, la mer, pourquoi fait-il très froid dans le ciel ?
    3) Pourquoi la lumière des couchers de soleil a une couleur rose ?

Alix Orsini, Ecole élémentaire Jean Macé, Pavillons-sous-Bois

Réponse 1 :
1) Certains jours, le ciel est bleu, pourquoi n'y a t-il pas de nuages?
Proposition d'un élève: il n'y a pas assez de froid dans le ciel, le soleil chauffe beaucoup, il n'y a pas de condensation
.
    Pour qu'il y ait des nuages, il faut des germes de condensation (2 molécules d'eau isolées ne se collent pas entre elles), ces germes sont des poussières de volcan, du sel marin évaporé... et aussi que l'humidité soit suffisante pour que la condensation l'emporte sur l'évaporation. Dès qu'il fait froid, l'évaporation perd du terrain.

2) Puisque le soleil chauffe tout : la terre, l'air, la mer, pourquoi fait-il très froid dans le ciel?
   
Le soleil chauffe en envoyant de la lumière dans le domaine visible et UV (corps noir a 6000 °C) qui est absorbée par le sol. L'atmosphère n'est pas vraiment chauffée directement car elle absorbe peu dans ce domaine. La Terre rayonne comme un corps noir à 300°K (20°C) dans l'infrarouge qui est absorbé par l'eau des nuages. Si on ajoute du gaz carbonique qui absorbe cet infrarouge, on a encore plus d'absorption de cet infrarouge réémis (c'est l'effet de serre). Dans le ciel (à haute altitude) il n'y a presque plus de molécules (d'atmosphère) il n'y a pas d'absorption à l'aller depuis le soleil ni au retour donc il fait froid.

3) Pourquoi la lumière des couchers de soleil a une couleur rose?
   
Il faut expliquer que s'il n'y avait pas d'atmosphère, on verrait le ciel tout noir sauf une lumière épouvantable dans la direction du soleil (comme une ampoule électrique au plafond). Les molécules de l'atmosphère diffusent la lumière: elles absorbent puis réemettent dans toutes les directions. Elles diffusent beaucoup plus le bleu que le rouge (diffusion sans changement de couleur). La lumière semble donc venir de partout pendant la journée. A la tombée du jour, le soleil est bas sur l'horizon et la lumière doit donc traverser une très grande épaisseur d'atmosphère. Le bleu est beaucoup plus diffusé et ne parvient plus alors que le rouge , qui lui est moins diffusé, et parvient encore sur Terre.

     Si vous voulez, je peux aussi expliquer pourquoi le ciel est gris quand le temps n'est pas beau !

Jean-Pierre Schermann, L.P.L., Institut Galilée - Université Paris13


Réponse 2 :
Deux enseignants se joignent pour réagir à votre question 2 : "pourquoi fait-il très froid dans le ciel alors que le soleil chauffe tout ?"
Il y a plusieurs questions derrière ce problème.

     a) Si par "ciel", on entend le vide, alors LE VIDE N'A PAS DE TEMPERATURE : il n'est ni chaud ni froid. (Microscopiquement, on définit la température d'un corps à partir de l'agitation des particules qui le constituent). Si on met un cosmonaute dans ce vide, il sera chauffé par le rayonnement solaire, mais perdra de la chaleur car lui-même rayonne. (Voir les caméras à infrarouge qui peuvent détecter un voleur dans l'obscurité). La température du cosmonaute se stabilisera à une valeur qui dépend de la combinaison qu'il a revêtue.

     b) Plus généralement, la température se mesure avec un thermomètre : C'EST LA TEMPERATURE DU THERMOMETRE QUE L'ON MESURE (par exemple celle de l'alcool du thermomètre). Si on remplace le cosmonaute de a) par un thermomètre, il prendra une certaine température selon ses gains et pertes de rayonnement, mais on ne peut pas appeler cela la température du vide. Voir la difficulté à définir par mesure la température "qu'il fait dehors" : elle dépend du vent, de l'exposition ou non au soleil ou près d'un mur chauffé etc...

     c) Autre problème : VARIATION DE LA TEMPERATURE DE L'AIR ATMOSPHERIQUE AVEC L'ALTITUDE. Au niveau du sol, la terre et l'air sont chauffés par le soleil et ils rayonnent de l'énergie dans l'infrarouge. Mais l'infrarouge traverse très mal l'atmosphère et reste en grande partie prisonnier des basses couches de l'atmosphère. A grande altitude, l'infrarouge a beaucoup moins d'atmosphère à traverser pour quitter la Terre. Résultat : la température d'équilibre est plus élevée près du sol qu'à grande altitude : c'est l'effet de serre.

     d) Encore une autre question connexe : QU'EST-CE QU'EPROUVER LE CHAUD ET LE FROID ? Ce n'est pas vraiment la température que l'on ressent. Dans une salle où tout est à 18°, un tapis et un marbre, tous deux à 18°, sont ressentis au contact comme chaud pour l'un et froid pour l'autre : c'est une question de conduction de la chaleur : notre peau, à plus de 18°, perd davantage de chaleur au contact du marbre parce qu'il est plus conducteur. Les sensations seront inversées si la pièce est à 50° car alors notre peau est plus froide que le tapis ou le marbre.

     Au passage, attention à distinguer deux sens du mot "chauffer" : fournir de la chaleur (exemple : mettre une casserole sur le gaz) ou élever la température. On peut élever la température d'une masse d'eau en la mettant sur le gaz ou en l'éclairant par le soleil ou en l'agitant très fort : seul le premier de ces procédés fournit de la chaleur, mais tous fournissent à l'eau de l'énergie. Par ailleurs, une casserole d'eau contenant des glaçons et placée sur le gaz recevra de la chaleur, mais restera à 0° tant que toute la glace n'aura pas fondu.

     Marie-Pascale Gorza et Pierre-Yvan Gal, L.P.L. et Enseignant Institut Galilée - Université Paris13

Réponse 3 :
Question 1 :
Votre élève a raison: la température est suffisamment élevée pour que la condensation n'apparaisse pas dans ces conditions là.
     On peut aussi répondre qu'il n'y a pas assez d'eau dans l'air car en réalité la température à laquelle apparaît la condensation dépend de la quantité d'eau présente dans l'air à l'état de vapeur.

Question 2 :
La température de la terre est relativement élevée parce que l'atmosphère terrestre retient la chaleur et l'empêche d'être rayonnée vers l'espace (effet de serre). Si la terre n'avait pas d'atmosphère, nous serions brûlés pendant le jour (parce que les rayons du soleil ne seraient pas filtrés par l'atmosphère) et nous serions gelés la nuit parce que rien n'empêcherait la chaleur de s'en aller vers l'espace. Au total la température moyenne de la terre serait plus basse.


Question 3 :
 Pour répondre à cette question il faut revenir à certaines questions posées précédemment: ( Michel Moulin CE1 Ecole élémentaire Estienne d'Orves Noisy-le-Sec).
     On a vu que la lumière venant du soleil contient des rayons de toutes les couleurs (couleurs de l'arc en ciel). Nous avons aussi vu que les rayons bleus étaient diffusés par les gaz de l'atmosphère ce qui donne la couleur bleue du ciel. ( voir la question "Pourquoi le ciel est-il bleu? " Ecole élémentaire Sevigne Sevran Hauguel). Lorsque le soleil se couche, le trajet des rayons du soleil dans l'atmosphère est plus long. (Faîtes un dessin vous verrez!) Donc il y a plus de rayons bleus déviés. Finalement dans la lumière qui nous parvient il y plus de rayons rouges que de rayons bleus. Ce qui donne son aspect rosé au ciel si on regarde dans la direction d'ou la lumière solaire nous parvient.
     Pour illustrer ce phénomène, on peut réaliser l'expérience suivante: prendre un bocal plein d'eau. De préférence avec des parois plates. Verser une goutte de lait. Eclairer avec une source de lumière vive d'un côté. Si l'on observe le bocal en se mettant face à la lumière, celle-ci doit apparaître légèrement rosée. Si l'on observe le bocal en se mettant à 90° on doit voir une lumière légèrement bleutée. Essayer avec différents dosages.

Pascal Tobaly, L.I.M.H.P., Institut Galilée

Réponse 4 :
1) Certains jours, le ciel est bleu pourquoi n'y a t-il pas de nuages?
   
La météorologie est une science "hors d'équilibre", où des fluctuations éventuellement petites ont des conséquences importantes : donc, cela varie d'un jour à l'autre, et la France est très océanique avec les changements de vent propres à la mer, et induits par exemple par les marées (attraction Terre-Lune) (mais aussi liés aux nuages...).
    Cependant, il y a des tendances lourdes hiver-été, ou liées à l'emplacement géographique. En plus le problème est "non local", puisqu'il y a transport (depuis les endroits "pleins d'eau") vers les régions nuageuses. Même en bord de mer, on a parfois des temps sans nuage, liés à la différence de température air /eau : à cause du transport à des vitesses très différentes, et des variations jour/nuit, très amorties pour l'eau, la température n'est pas la même.

     UN POINT TECHNIQUE IMPORTANT : la concentration maximale en eau que peut contenir l'air dépend de la température (ce que l'on appelle saturation et degré d'hygrométrie). En l'absence de nuage, on a sans doute un peu de vapeur d'eau, et le nuage est une formation (condensation) de gouttelettes à partir de vapeur d'eau, là où il y a saturation.

     Tout ceci ne répond pas directement à la question, mais montre au moins que c'est complexe..

2)Puisque le soleil chauffe tout: la terre, l'air , la mer, pourquoi fait-il très froid dans le ciel?
   
Est ce que le soleil chauffe ? Dans le vide, il ne chauffe pas, et dans l'espace intersidéral , il fait noir (la lumière va en ligne droite), sauf vers les étoiles (Soleil compris, qui apparemment (?? ) n'éblouit même pas ??), ou vers les planètes (clair de Terre des spationautes, ou clair de Lune) . Ce qui compte donc, c'est l'interaction entre la lumière du soleil et l'atmosphère (et éventuellement la mer). A la fois la lumière est en partie absorbée, ce qui se traduit par un chauffage (conversion d'énergie lumineuse en chaleur), la lumière est aussi diffusée, c'est à dire redistribuée en direction dans tout le ciel (plus exactement, dans toute l'atmosphère du ciel)

     Plusieurs conséquences :"dans le ciel" , par exemple où volent les avions, il fait très froid (environ -40°C vers 12000m) car l'atmosphère est raréfiée, de même qu'en haute montagne. C'est encore pire dans l'espace intersidéral, où règne le "3 degrés Kelvin", c'est à dire -270° Centigrades).

     La loi de diffusion de l'atmosphère est une loi "dipolaire classique" proportionnelle au cube de la fréquence (ou cube inverse de la longueur d'onde, qui caractérise notamment la couleur de la lumière). Pour le visible (du rouge = grande long d'onde au violet = courte long d'onde), le "violet est très favorisé. en fait, l'oeil humain n'est que très peu sensible au violet et on ne voit bien que son "voisin'" le bleu ... le ciel est bleu (pour cette raison, qui est que c'est une source de diffusion).

     Expérience "envisageable"?? , qui a prouvé historiquement l'existence de l'infrarouge .:avec un prisme, décomposer la lumière solaire : arc en ciel du violet au rouge : au delà du rouge, il y a encore l'infrarouge solaire, qui chauffe... par exemple un thermomètre [ - du coté ultraviolet, le verre est malheureusement absorbant].

     En revanche, en observation directe, la diffusion a fait perdre moins de rouge que de bleu, et dans la direction du Soleil au couchant, on a un ciel rouge (bon, c'est plus joli que ça, mais il y a sensibilité de l'oeil.. forme et densité des nuages ,..).

Daniel Bloch, L.P.L., Institut Galilée - Université Paris13

Question 2 : 

Merci à Marie-Pascale GORZA et Pascal TOBALY pour leurs réponses, mais j'aimerais revenir sur le c) de la réponse de Me Gorza : pourrions-nous avoir une explicitation de l'effet de serre un peu plus adaptée au vocabulaire des enfants puisque c'est bien ce point qui répond à la question préliminaire de mes élèves.

Alix Orsini, Ecole élémentaire Jean Macé, Pavillons-sous-Bois

Réponse 1 :
Chère Alix,
A présent que je cerne mieux la question des enfants, je vais essayer de mieux expliquer ce que je crois avoir compris, après discussion avec mes collègues:

     - D'abord, j'ai eu tort de mettre en avant l'effet de serre pour expliquer le phénomène: "il fait très froid dans le ciel". Bien que l'effet de serre participe au réchauffement de la Terre et des couches basses de l'atmosphère, il ne fournit pas l'essentiel de l'explication.

     - Est-ce que les enfants peuvent comprendre (ou tester autour d'eux) qu'un matériau transparent à la lumière (comme l'air, ou une vitre) se chauffera beaucoup moins sous l'action du soleil qu'un matériau opaque comme l'est la Terre. La carrosserie de la voiture par exemple, surtout si elle est noire!, chauffera plus vite au soleil que ses vitres.
     C'est donc parce que l'air est transparent qu'il ne se réchauffe pas sous l'action de la lumière du soleil, alors que le sol, et nous-mêmes, sommes chauffés par ses rayons.

     - Dans la précédente réponse, nous disions que la Terre, ainsi chauffée, rayonne à son tour (moins fort que le soleil, bien sûr, et dans une autre "couleur" dominante parce qu'elle n'atteint pas une aussi grande température).
     Si l'air n'est plus transparent pour cette lumière infrarouge émise à son tour par la Terre (ce qui se produit quand il contient trop de gaz carbonique venant de nos appareils de chauffage par exemple, ou trop de vapeur d'eau) , il va s'échauffer lui aussi sous l'action des "rayons" de la Terre.
     C'est ce réchauffement dû au changement de nature de l'air, devenu opaque pour la lumière émise par Terre - bien qu'il reste transparent pour plein d'autres couleurs contenues dans les rayons du Soleil, heureusement! - que l'on appelle effet de serre.

Marie-Pascale Gorza, Enseignante, Institut Galilée - Université Paris13

Réponse 2 :
Bonjour,
Cosignataire de la réponse de Marie-Pascale Gorza à votre question 2 "pourquoi fait-il très froid dans le ciel ?", j'essaie de compléter ici la partie c) de notre réponse qui touche à l'effet de serre.

     Exemple familier d'effet de serre : par une journée chaude et ensoleillée comme cet après-midi, on a plus chaud dans une voiture dont les fenêtres sont fermées que dehors. (Pour cette raison, les plantes qui aiment la chaleur poussent mieux dans une serre au soleil que dehors également au soleil).

     Explication : pourtant, dans la voiture (ou la serre) et dehors, on reçoit (à peu près) la même quantité de lumière venue du soleil pour nous chauffer (nous apporter de l'énergie).
Mais, bien que nous soyons beaucoup moins chauds que le soleil (notre peau peut être à 20 ou 30°C, contre 6000° à la surface du soleil), nous envoyons nous aussi de la lumière que nos yeux ne voient pas, mais que les caméras à infrarouge peuvent voir : en même temps que la lumière du soleil nous chauffe, la lumière que nous envoyons nous refroidit (nous fait perdre de l'énergie).
Alors que la lumière visible du soleil traverse très bien le vide, et assez bien l'air et les vitres, la lumière invisible que nous envoyons traverse bien le vide, mais moins bien l'air et encore beaucoup moins bien les vitres.

     Donc, dans la voiture, la lumière que nous envoyons est renvoyée par les vitres, comme par un miroir, à l'intérieur de la voiture et elle y chauffe l'air et nous-mêmes : nous nous refroidissons moins (nous perdons moins d'énergie) dans la voiture que dehors et nous avons donc plus chaud. (Dehors, nous perdons plus d'énergie que dans la voiture, mais moins que très haut dans le ciel, où nous aurions encore moins chaud car il y a beaucoup moins d'air pour arrêter la lumière que nous envoyons).

Post scriptum pour Alix Orsini, mais pas pour les élèves :

     Je ne savais pas si, pour les élèves, je pouvais utiliser les mots "émission, émettre" (évités ci-dessus) et parler d'énergie (mot toujours mis entre parenthèses).

     Il y aurait des expériences simples à faire avec un thermomètre dans un aquarium (vide ou plein, je pense ; c'est alors le rayonnement infrarouge de l'air ou l'eau qu'il contient qui interviendrait ; mais avec de l'eau, gare à l'énergie perdue par évaporation !).

     Restent évidemment plusieurs points délicats, par exemple les suivants :
     a) Dehors ou dans la voiture, notre température finit par se stabiliser lorsque nous perdons autant d'énergie par seconde que nous en gagnons ; dans la voiture, la température est stable quand la voiture émet autant qu'elle reçoit, ce qui, vu la mauvaise transmission de l'infrarouge par les vitres, suppose une température plus élevée.
     b) Si l'air ou la vitre arrête en partie l'infrarouge, que devient l'énergie de ces rayons ? Elle peut être en partie réfléchie, en partie absorbée, ce qui contribue à élever la température de l'air ou de la vitre. (Mais à l'équilibre, cette température est stable : l'émission contribue d'autant à la diminuer que l'absorption à l'augmenter).
     c) Bien sûr, éclairés par le soleil, notre corps ou nos vêtements diffusent aussi une partie de la lumière visible reçue du soleil. Mais cette partie peut ressortir par les vitres. Le rayonnement infrarouge que nous émettons n'est dû qu'à notre température, de la même façon qu'un fer chauffé dans une flamme émet une lumière rouge, puis orange, puis blanche au fur et à mesure que sa température s'élève (ce qui peut suggérer une émission de lumière infrarouge invisible quand le fer n'est pas encore très chaud).

    Pardon d'être si bavard. J'espère que vous trouverez dans une partie de ce fatras ce qui convient à vos élèves. Amicalement.

Pierre-Yvan Gal, Enseignant, Institut Galilée - Université Paris 13



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