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Cours météo - Les inversions thermiques


 

Au sein de la troposphère, la température décroit en fonction du gain d’altitude. On parle généralement de 6.5°C perdus pour 1 000 mètres gagnés. Cependant, ce modèle reste un modèle avec ses limites et ses failles. Une inversion thermique est une couche au sein de la troposphère dans laquelle le gradient thermique est positif – ou du moins nul – alors qu’on gagne en altitude.

 

Inversion thermique auprès du sol

 

 

Prérequis

 

L’inversion thermique est un phénomène naturel qui consiste en un gradient thermique positif (ou nul) sur une couche de la troposphère. Cette couche d’inversion peut s’étendre sans beaucoup de contrainte excepté le relief, à partir du moment où les conditions sont réunies. Son épaisseur reste quant à elle limitée, de quelques mètres à plusieurs centaines de mètres. En son sein, on n’observe quasiment aucun mouvement d’air mais une humidité relative souvent très importante, avec la formation de brouillard au sol ou de stratus / altostratus en altitude.

 

 

1 | L’inversion de subsidence

 

La subsidence, mouvement d’air orienté du haut vers le bas, est initiée par un anticyclone puissant, centré au-dessus des lieux de l’inversion thermique. Cet air, pour que l’inversion puisse avoir lieu, doit être d’origine subtropicale, ce qui lui confère une certaine douceur. Tout en perdant en altitude, l’air subit une baisse de son humidité relative, descendant parfois à des niveaux très bas.

 

Parallèlement à cela, les basses couches doivent être très calmes, des mouvements aussi bien convectifs qu’horizontaux mettraient à mal tout le mécanisme de l’inversion. Ces basses couches, sujettes aux reliefs et donc peu ou pas concernées par la subsidence, se refroidissent durant la nuit à cause d’un bilan radiatif négatif. Ce refroidissement peut parfois mener au point de rosée, et donc à la formation de nuages bas et de brouillards.

 

Avec ces deux conditions réunies, l’inversion peut se mettre en place. En effet, alors que la subsidence de l’air doux en altitude est alimentée par un anticyclone puissant, elle crée également l’effet d’une cloche au-dessus des basses couches. Le relief agit lui comme une barrière, un bouclier qui protège les vallées et autres points bas des turbulences venues de l’altitude.

 

La couche de nuages bas n’est pas une condition sine qua non mais facilite le maintien de l’inversion dans le temps. En effet, si les inversions thermiques ont principalement lieu durant la période froide, c’est car le soleil à une moindre incidence sur les basses couches en question. Il n’est pas orienté au mieux pour réchauffer les basses couches et ainsi annuler l’inversion.

 

Finalement, plusieurs éléments peuvent mettre à mal l’inversion. Une reprise de l’activité de surface, l’affaiblissement ou un mouvement de l’anticyclone, ou encore l’arrivée d’un front sont quelques-uns des éléments qui permettent la fin des inversions. 

 

Inversion thermique marquée par le gel en basse altitude

Inversion thermique marquée par le gel en basse altitude seulement

 

 

2 | L’inversion nocturne

 

En hiver, lorsque la nuit est claire, il arrive régulièrement que l’air au contact du sol et à proximité, soit plus froid que l’air le surplombant. Ce cas de figure est bien différent de l’inversion de subsidence, à tous les points de vue.

 

Lorsque la nuit est couverte, la température à tendance à ne descendre que dans une moindre mesure. Cela est dû au rayonnement infrarouge émis par la Terre qui, au contact des gouttelettes d’eau, est en partie réfléchi vers la Terre. Au fil des différentes interactions avec l’atmosphère – réflexion, absorption, diffraction – c’est simplement le principe de l’effet de serre qui s’établit et qui maintien un niveau de température.

 

Or, en l’absence de nuages, les rayons infrarouges ne trouvent presque aucun obstacle pour s’échapper vers l’espace. Les couches d’air au plus proche du sol ne sont donc pas exposées à une source d’énergie assez importante pour maintenir un certain niveau de température.

 

L’énergie ainsi accumulée au fil de la journée par les molécules composant l’air tend alors à se dissiper, ce qui entraîne la chute de la température.

 

L’inversion peut être extrêmement marquée, pouvant atteindre une quinzaine de degrés d’écart entre le sol et une centaine de mètres plus en altitude si le relief s’y prête. Ce refroidissement entraîne parfois la formation de brouillard au niveau du sol.

 

En l’absence de brouillard, l’inversion se résorbe rapidement. Dans le cas contraire, tant que le brouillard n’est pas dissipé, il y a peu de chances de voir l’inversion évoluer, la température en-dessous n’évoluant que peu.

 

Fumée bloquée par une inversion thermique

Fumée bloquée dans son ascension par une inversion thermique 

 

 

3 | L’inversion frontale

 

En cas de front chaud, c’est l’air chaud qui remplace l’air froid. Cependant, l’air chaud a une densité inférieure à celle de l’air froid. Cela rend l’évacuation de l’air froid par l’air chaud assez laborieuse. L’air chaud tend, dans un premier temps, à glisser au-dessus de l’air froid. Cette configuration une fois en place le reste tout au long de la vie du front.

 

Pendant le passage du front, il y a alors, pendant un certain temps, une inversion thermique qui se produit au-dessus d’un point donné. L’air chaud est alors présent au-dessus de l’air froid sans pour autant qu’il ne soit évacué.

 

Ce type d’inversion ne se produit pas seulement au niveau du sol mais sur toute l’interface air chaud-air froid, aussi haute qu’elle est.

 

Schéma d'une inversion frontale

Schéma d'une inversion frontale

 

Dans le cas d’un front occlus, on a la même configuration avec l’air chaud au-dessus de l’air froid. Cependant, l’air chaud n’est pas en contact avec le sol et est présent sur une grande étendue en altitude. On n’est pas seulement en présence d’une interface mais bel et bien d’une masse d’air littéralement soulevée.

 

L’inversion se produit alors au niveau de la limite entre les deux masses d’air, et seulement au niveau de cette limite. Une limite qui ne s’apparente alors pas à une limite verticale mais horizontale.

 

 

4 | Les autres inversions

 

L’inversion d’advection 

 

Lorsqu’une masse d’air arrive sur un sol froid, gelé ou enneigé, l’air au contact du sol se trouve alors refroidi. Mais l’air le surplombant n’étant pas au contact du sol, il conserve sa température. L’inversion n’est alors que très limitée, aux premiers mètres auprès du sol et se fait à condition d’avoir un air plus chaud que le sol lui-même.

 

L’inversion due au relief

 

Ce type d’inversion est dû à la combinaison de plusieurs faits. Le rayonnement nocturne, en grande partie la cause de cette inversion, refroidit l’air auprès du sol. L’air froid étant plus dense que l’air chaud, il aura tendance à se concentrer dans les vallées. L’inversion se met donc en place.

 

Schéma d'une inversion thermique amplifiée par le relief en fond de vallée

Schéma d'une inversion thermique amplifiée par le relief en fond de vallée

 

Mer de nuages recouvrant une vallée alpine provoquée par une inversion thermique

Paysage typique témoin d'une inversion thermique - Franzou via Infoclimat

 

 

5 | Le cas de la tropopause

 

Située aux alentours de 12 kilomètres d’altitude à nos latitudes, la tropopause est la limite supérieure de la troposphère. Cette limite est caractérisée par une inversion du gradient thermique avec l’altitude. Il est négatif sous la tropopause, positif au-dessus de la tropopause.

 

Cette limite peut être considérée comme une couche d’inversion permanente. Elle inhibe le développement convectif des cumulonimbus en été notamment. Cependant, il arrive que l’ascendance soit si puissante qu’on observe un sommet pénétrant. Cela signifie que la tropopause a été en partie franchie.

 

 

6 | Les conséquences

 

Les nuages

 

Lors d’une inversion thermique, il n’est pas rare d’observer une couche de nuages caractéristiques. Si l’inversion se fait au niveau du sol ou dans les premières couches d’air, on observe régulièrement des couches de nuages bas ou de brouillard. Ce sont les stratus.

 

Dans le cas d’une inversion en altitude – hors tropopause – il y a deux cas de figure. L’inversion peut simplement inhiber le développement des nuages convectifs, ou alors, des nuages d’altitude peuvent se former. On observerait alors des altostratus.

 

"Mer de nuage" typique d'une inversion thermique

"Mer de nuage" typique d'une inversion thermique - Pouicpouet via Infoclimat

 

L’accumulation de pollution

 

Tout comme les molécules d’eau, les polluants volatils se retrouvent piégés sous l’inversion. Les pics de pollution sont fréquemment la cause – souvent inconnue – des pics de pollution en agglomération.

 

En plus de la pollution, de l’humidité peut se trouver piégée sous l’inversion. Cela aboutit à un smog, mélange d’humidité et de poussières en tous genres. Cette situation est la plus gênante pour la population.

 

Schéma de l'accumulation des polluants, conséquence d'une inversion thermique

Schéma de l'accumulation des polluants, conséquence d'une inversion thermique

 

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