Ce chapitre porte sur la température de l’air, c’est-à-dire la température de l’air telle qu’elle est observée à 1,2 m (4 pi) au-dessus de la surface du sol. La température de l’air conditionne de nombreux aspects de la vie humaine, des vêtements que nous portons aux coûts du carburant que nous payons. La température de l’air et ses cycles agissent également pour sélectionner les plantes et les animaux qui composent le paysage biologique d’une région. Et la température de l’air, avec les précipitations, est un déterminant clé du climat, que nous explorerons plus en profondeur au chapitre 7.

Cinq facteurs importants influencent la température de l’air :

1. Latitude. Les cycles quotidiens et annuels de l’insolation varient systématiquement en fonction de la latitude, ce qui fait que les températures de l’air et les cycles de température de l’air varient également. L’insolation annuelle diminue vers les pôles, donc moins d’énergie est disponible pour chauffer l’air. Mais comme le cycle saisonnier de l’insolation devient plus fort avec la latitude, les hautes latitudes connaissent une variation beaucoup plus importante des températures de l’air au cours de l’année.
2. Type de surface. Les températures de l’air urbain sont généralement plus élevées que les températures rurales. Les matériaux de surface des villes – asphalte, bardeaux de toiture, pierre, brique – retiennent peu d’eau, par rapport aux surfaces de sol humides des zones rurales et des forêts, de sorte qu’il y a peu de refroidissement par évaporation. Les matériaux urbains sont également plus sombres et absorbent une plus grande partie de l’énergie du soleil que les surfaces couvertes de végétation. Il en va de même pour les zones dont les surfaces de sol sont stériles ou rocheuses, comme celles des déserts.
3. Emplacement côtier ou intérieur. Les endroits situés près de l’océan connaissent une gamme plus étroite de températures de l’air que les endroits situés à l’intérieur des continents. Comme l’eau se réchauffe et se refroidit plus lentement que la terre, les températures de l’air au-dessus de l’eau sont moins extrêmes que celles de la terre. Lorsque l’air circule de l’eau vers la terre, un emplacement côtier ressentira l’influence de l’eau adjacente.
4. Élévation. La température diminue avec l’altitude. À haute altitude, il y a moins d’atmosphère au-dessus de la surface, et les gaz à effet de serre fournissent une couverture isolante moins efficace. Une plus grande quantité de chaleur de surface est perdue dans l’espace. Sur les hauts sommets, la neige s’accumule et reste plus longtemps. La réduction de l’effet de serre entraîne également une plus grande variation quotidienne des températures.
5. Circulations atmosphériques et océaniques. Les températures locales peuvent augmenter ou diminuer rapidement lorsque l’air d’une région est amené dans une autre. Les températures des régions côtières peuvent être influencées par des courants côtiers chauds ou froids. (Nous étudierons ce facteur plus en détail au chapitre 5.)

Température de la surface

La température est un concept familier. C’est une mesure du niveau d’énergie cinétique des atomes d’une substance, qu’il s’agisse d’un gaz, d’un liquide ou d’un solide. Lorsqu’une substance reçoit un flux d’énergie rayonnante, comme la lumière du soleil, sa température augmente. De même, si une substance perd de l’énergie, sa température diminue. Ce flux d’énergie entre et sort d’une substance solide ou liquide à sa surface – par exemple, la très fine couche superficielle du sol qui absorbe effectivement le rayonnement solaire à ondes courtes et rayonne le rayonnement à ondes longues vers l’espace.

La température d’une surface est déterminée par l’équilibre entre les différents flux d’énergie qui la traversent. Le rayonnement net – l’équilibre entre le rayonnement entrant à ondes courtes et le rayonnement sortant à ondes longues – produit un flux d’énergie radiante qui peut chauffer ou refroidir une surface. Pendant la journée, le rayonnement solaire entrant est normalement supérieur au rayonnement de grande longueur d’onde sortant, de sorte que le bilan radiatif net est positif et que la surface se réchauffe. L’énergie circule à travers la surface vers le sol plus frais situé en dessous. La nuit, le rayonnement net est négatif et le sol perd de l’énergie à mesure que la température de surface baisse et que la surface rayonne de l’énergie à ondes longues vers l’espace.

L’énergie peut également se déplacer vers ou depuis une surface d’autres manières. La conduction décrit le flux de chaleur sensible d’une substance plus chaude à une substance plus froide par contact direct. Lorsque la chaleur circule dans le sol depuis sa surface chaude pendant la journée, elle circule par conduction. La nuit, la chaleur est renvoyée vers la surface plus froide du sol. Le transfert de chaleur latente est également important. Lorsque l’eau s’évapore à une surface, elle élimine la chaleur stockée dans le changement d’état de liquide à vapeur, refroidissant ainsi la surface. Lorsque l’eau se condense à une surface, la chaleur latente est libérée, réchauffant la surface.

Une autre forme de transfert d’énergie est la convection, dans laquelle la chaleur est distribuée dans un fluide par mélange. Si la surface est en contact avec un fluide, comme une surface de sol avec de l’air au-dessus, des courants ascendants et descendants peuvent agir pour réchauffer ou refroidir la surface.

Température de l’air

A l’opposé de la température de surface se trouve la température de l’air, qui est mesurée à une hauteur standard de 1,2 m (4,0 ft) au-dessus de la surface du sol. La température de l’air peut être très différente de la température de surface. Lorsque vous traversez un parking par une journée claire d’été, vous remarquerez que la chaussée est beaucoup plus chaude que l’air contre la partie supérieure de votre corps. En général, les températures de l’air au-dessus d’une surface reflètent les mêmes tendances que les températures de surface au sol, mais les températures au sol sont susceptibles d’être plus extrêmes.

Aux États-Unis, la température est encore largement mesurée et rapportée en utilisant l’échelle Fahrenheit. Dans ce livre, nous utilisons l’échelle de température Celsius, qui est la norme internationale. Sur l’échelle Celsius, le point de congélation de l’eau est de 0°C et le point d’ébullition est de 100°C. Les formules de conversion entre ces deux échelles sont données à la figure 3.4.

Les mesures de la température de l’air sont effectuées régulièrement dans les stations météorologiques. Bien que certaines stations météorologiques rapportent les températures toutes les heures, la plupart ne rapportent que les températures les plus élevées et les plus basses enregistrées pendant une période de 24 heures. Ce sont les valeurs les plus importantes pour observer les tendances à long terme de la température.

Les mesures de température sont rapportées aux agences gouvernementales chargées des prévisions météorologiques, comme le service météorologique américain ou le service météorologique du Canada. Ces organismes mettent généralement à disposition des statistiques de température quotidiennes, mensuelles et annuelles pour chaque station en utilisant la température quotidienne maximale, minimale et moyenne. La température moyenne quotidienne est définie comme la moyenne des valeurs maximales et minimales quotidiennes. La température mensuelle moyenne est la moyenne des températures quotidiennes moyennes d’un mois. Ces statistiques, ainsi que d’autres comme les précipitations quotidiennes, sont utilisées pour décrire le climat de la station et de ses environs.

TEMPERATURES À PROXIMITÉ DU SOL

Les températures du sol, de la surface et de l’air à quelques mètres du sol varient au cours de la journée (figure 3.6). La variation quotidienne de la température est la plus importante juste au-dessus de la surface. La température de l’air à hauteur normale est beaucoup moins variable. Dans le sol, le cycle quotidien devient progressivement moins prononcé avec la profondeur, jusqu’à ce que nous atteignions un point où les variations quotidiennes de température à la surface ne provoquent aucun changement.

Contrastes environnementaux : TEMPERATURES URBAINES ET RURALES

Lors d’une journée chaude, les environnements ruraux sembleront plus frais que les environnements urbains. Dans les zones rurales, l’eau est absorbée par les racines des plantes et se déplace vers les feuilles dans un processus appelé transpiration. Cette eau s’évapore, refroidissant les surfaces des feuilles, qui à leur tour refroidissent l’air environnant. Les surfaces du sol sont humides car l’eau s’infiltre dans le sol pendant les orages. Elle est attirée vers le haut et s’évapore lorsque la lumière du soleil réchauffe la surface, ce qui produit également un refroidissement. Nous désignons les effets combinés de la transpiration et de l’évaporation par le terme d’évapotranspiration.

Il existe d’autres raisons pour lesquelles les surfaces urbaines sont plus chaudes que les surfaces rurales. De nombreuses surfaces urbaines sont sombres et absorbent plutôt que reflètent l’énergie solaire. En fait, le revêtement en asphalte absorbe plus de deux fois plus d’énergie solaire que la végétation. La pluie s’écoule des toits, des trottoirs et des rues dans les réseaux d’égouts pluviaux. Comme les surfaces de la ville sont sèches, il y a peu d’évaporation pour aider à faire baisser les températures. Un autre facteur important est la chaleur perdue. En été, les températures de l’air de la ville sont élevées par la climatisation, qui pompe la chaleur des bâtiments et la libère dans l’air.

En hiver, la chaleur des bâtiments et des structures est conduite directement dans l’environnement urbain.

L’ÎLE DE CHALEUR URBAINE

En raison de ces effets, les températures de l’air dans la région centrale d’une ville sont généralement plusieurs degrés plus élevées que celles des banlieues et de la campagne environnantes, comme le montre la figure 3.8. Le croquis d’un profil de température à travers une zone urbaine en fin d’après-midi illustre cet effet. Nous appelons la zone centrale un îlot de chaleur urbain, car elle présente une température significativement élevée. Une telle quantité de chaleur est stockée dans le sol pendant la journée que l’îlot de chaleur reste plus chaud que son environnement pendant la nuit également. L’image infrarouge thermique du quartier central des affaires d’Atlanta la nuit démontre l’effet d’îlot de chaleur.

L’effet d’îlot de chaleur urbain a des conséquences économiques importantes. Les températures plus élevées exigent plus de climatisation et plus d’énergie électrique en été. Le combustible fossile brûlé pour produire cette électricité contribue au CO2 et aux polluants atmosphériques. L’augmentation des températures peut entraîner la formation de smog, qui est malsain et dommageable pour les matériaux. Pour réduire ces effets, de nombreuses villes plantent davantage de végétation et utilisent des surfaces plus réfléchissantes, comme le béton ou les matériaux de toiture brillants, pour renvoyer l’énergie solaire vers l’espace.

L’effet d’îlot de chaleur ne s’applique pas nécessairement aux villes au climat désertique. Dans le désert, l’évapotranspiration de la végétation irriguée de la ville peut en fait garder la ville plus fraîche que la région stérile environnante.

Environnements de haute montagne

Nous avons vu que la surface du sol affecte la température de l’air directement au-dessus d’elle. Mais que se passe-t-il lorsque vous vous déplacez à des altitudes plus élevées ? Par exemple, lorsque vous grimpez plus haut sur une montagne, vous pouvez être essoufflé et vous pouvez remarquer que vous prenez plus facilement des coups de soleil. Vous sentez également la température baisser, au fur et à mesure de votre ascension. Si vous campez, vous verrez que la température nocturne devient plus basse que ce à quoi vous vous attendiez, même en tenant compte du fait que les températures sont généralement plus fraîches à mesure que vous vous élevez.

Qu’est-ce qui provoque ces effets ? À haute altitude, il y a beaucoup moins d’air au-dessus de vous, donc la pression atmosphérique est faible. Il devient plus difficile de reprendre son souffle simplement à cause de la pression réduite de l’oxygène dans les poumons. Et comme il y a moins de molécules pour disperser et absorber la lumière du soleil, les rayons du soleil sont plus forts. Il y a moins de dioxyde de carbone et de vapeur d’eau, et l’effet de serre est donc réduit. Avec un réchauffement moindre, les températures auront tendance à baisser encore plus la nuit. Plus loin dans ce chapitre, nous verrons comment ce schéma de diminution de la température de l’air s’étend à haute altitude dans l’atmosphère.

La figure 3.10 montre des graphiques de température pour cinq stations situées à différentes hauteurs dans la Cordillère des Andes au Pérou. Les températures moyennes diminuent clairement avec l’altitude, de 16°C (61°F) au niveau de la mer à ?1°C (30°F) à 4380 m (14 370 ft). L’écart entre les températures maximales et minimales augmente également avec l’altitude, sauf à Qosqo. Dans cette grande ville, les températures ne plongent pas aussi bas qu’on pourrait s’y attendre en raison de son îlot de chaleur urbain.

INVERSION DE LA TEMPÉRATURE

Jusqu’ici, les températures de l’air semblent diminuer avec l’altitude. Mais est-ce toujours vrai ? Pensez à ce qui se passe par une nuit claire et calme. La surface du sol rayonne de l’énergie à ondes longues vers le ciel, et le rayonnement net devient négatif. La surface se refroidit. Cela signifie que l’air proche de la surface se refroidit également, comme nous l’avons vu à la figure 3.6. Si la surface reste froide, une couche d’air plus froid au-dessus du sol s’accumule sous une couche d’air plus chaud, comme le montre la figure 3.11. C’est une inversion de température.

Dans une inversion de température, la température de l’air près du sol peut descendre en dessous du point de congélation. Cette condition de température est appelée gelée meurtrière – même si le gel réel ne se forme pas – en raison de son effet sur les plantes sensibles pendant la saison de croissance.

Les producteurs d’arbres fruitiers ou d’autres cultures utilisent plusieurs méthodes pour briser une inversion. De grands ventilateurs peuvent être utilisés pour mélanger l’air frais à la surface avec l’air plus chaud au-dessus, et des réchauffeurs à mazout sont parfois utilisés pour réchauffer la couche d’air de surface.

INDEX DE TEMPÉRATURE

La température peut également être utilisée avec d’autres données météorologiques et climatiques pour produire des indices de température – des indicateurs de l’impact de la température sur les conditions environnementales et humaines. Deux des indices les plus familiers sont l’indice de refroidissement éolien et l’indice de chaleur.

L’indice de refroidissement éolien est utilisé pour déterminer à quel point les températures nous semblent froides, en fonction non seulement de la température réelle mais aussi de la vitesse du vent. L’air est en fait un très bon isolant, donc lorsque l’air est immobile, la température de notre peau peut être très différente de la température de l’environnement. Cependant, lorsque l’air se déplace sur notre peau, il élimine la chaleur sensible et latente et la transporte loin de notre corps. En été, ce processus nous permet de rester au frais car la sueur s’évapore, ce qui fait baisser la température de notre peau. Pendant l’hiver, il élimine la chaleur nécessaire pour maintenir notre corps chaud, refroidissant ainsi notre peau et donnant l’impression que les conditions sont beaucoup plus froides que la température réelle mesurée.

L’indice de refroidissement éolien, utilisé aux États-Unis et mesuré en °F, peut être très différent de la température réelle (figure 3.12). Par exemple, une température réelle de 30 °F (?1°C) et une vitesse de vent de 30 mi/hr (13,45 m/s) produisent un refroidissement éolien de 15 °F (?26°C).

L’indice de chaleur donne une indication de la chaleur que nous ressentons en fonction de la température réelle et de l’humidité relative. L’humidité relative est l’humidité donnée dans la plupart des bulletins météorologiques et indique la quantité de vapeur d’eau présente dans l’atmosphère en pourcentage de la quantité maximale possible. Une faible humidité relative indique des conditions atmosphériques relativement sèches, tandis qu’une humidité relative élevée indique des conditions atmosphériques relativement humides.

Pourquoi l’humidité relative influence-t-elle la sensation de chaleur ? L’une des façons dont notre corps élimine l’excès de chaleur est l’évaporation de la sueur de notre peau. Cette évaporation élimine la chaleur latente, ce qui refroidit notre corps. Cependant, lorsque l’humidité relative est élevée, il y a moins d’évaporation parce que l’atmosphère environnante est déjà relativement humide, et l’effet de refroidissement est réduit.

L’indice de chaleur est donné en °F et, comme le refroidissement éolien, il peut être très différent de la température réelle (figure 3.13). Par exemple, si la température réelle est de 90°F (32°C) et que l’humidité relative est de 90 pour cent, l’indice de chaleur indique que la température sera ressentie comme étant de 122°F (50°C) – une différence de 32°F (18°C)!

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