Comment expliquer la baisse de température dans la troposphère ?

« Comment expliquer la baisse de température en s'élevant dans la troposphère ? »

Cette observation est en effet contraire au bon sens (et au mythe d'Icare) : en montant, on s'approche du Soleil et il devrait faire plus chaud.

On peut d'abord remarquer que monter de quelques kilomètres est tout à fait négligeable par rapport au 150 millions de kilomètres qui séparent la Terre du Soleil : le réchauffement qui devrait en résulter serait donc imperceptible.

Par ailleurs, la majorité de l'énergie solaire est transportée par des longueurs d'onde autour de 0,5 μm, dite longueur d'onde visible. Or la troposphère est transparente à ces longueurs d'onde : l'énergie solaire traverse donc l'atmosphère sans la réchauffer. L'énergie solaire arrive au sol et une partie de cette énergie est réfléchie (albédo), mais la plus grande partie est absorbée.

Ainsi, l'énergie absorbée élève la température du milieu absorbant (c'est la même chose lorsqu'une voiture est au soleil, la carrosserie est beaucoup plus chaude que les vitres !).

À l'équilibre (après quelques heures), le sol réchauffé au environ de 20°C réémet (sous forme d'infrarouge) l'intégralité de l'énergie qu'il reçoit du Soleil. La troposphère n'est pas transparente aux infrarouges, ces derniers y sont absorbés notamment par le CO₂ et par de la vapeur d'eau atmosphérique. La troposphère absorbant de l'énergie s'échauffe, et par le bas puisque la source d'énergie est le rayonnement IR du sol.

Un phénomène vient accentuer les choses. L'atmosphère étant chauffée par le bas, elle est plus chaude en bas qu'en haut ; comme les gaz chauds sont dilatés et peu denses, ils montent et se décompriment. La décompression refroidissant (comme les gaz qui sortent d'une bombe-aérosol !), il fait de plus en plus froid quand les gaz montent.

Les gaz, refroidis au sommet de la troposphère se mettent à descendre car plus denses que ceux qui sont en dessous. En redescendant, ils se compriment, et s'échauffent.

Tout cela donne un gradient de température de 6°C/km en atmosphère humide.

Remarque. Si l'air ne contient pas de vapeur d'eau, le gradient théorique est voisin de 10°C/km. En effet, quand l'air humide remonte, il se refroidit, de l'eau condense ce qui libère de l'énergie et diminue le refroidissement. Même chose pour de l'air qui descend et qui contiendrait des gouttelettes d'eau. Cet air se réchauffe, ce qui vaporise l'eau, ce qui absorbe de la chaleur et amortit le réchauffement. On passe ainsi de 10°C/km pour de l'air totalement sec à 6 °C/km pour de l'air normalement humide.

Pour aller plus loin, lire l'article L'air chaud qui descend de la montagne de Roland Lehouc et Jean-Michel Courty paru dans le numéro 275 de Pour la Science (septembre 2000).