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Couche d'inversion

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Couche d'inversion
Capture de la fumée sous une inversion de température matinale.
Présentation
Type

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Unecouche d'inversionest une couche d'air dont legradientde température est positif, c'est-à-dire que celle-ci croît avec l'altitude[1].

Une telle couche peut se trouver à n'importe quelle altitude et son épaisseur peut aller de quelques centaines à plusieurs milliers de mètres. Si elle se forme juste au-dessus du sol, elle emprisonne l'humidité et les polluants entrainant la formation debrouillardet desmog.Elle peut également se retrouver en altitude, en avant d'unfront chaudpar exemple, et limiter la formation et l'extension desnuages convectifs.

Origine

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Articles détaillés:Atmosphère normaliséeetGradient thermique adiabatique.

En général, une couche d'inversion se produit dans unanticycloneou à l'avant d'unfront chaud.Elle peut survenir de quatre façons[2]:

  1. l’inversion desubsidenceest une couche d'inversion causée par la descente et le réchauffement de l'air dans la colonne d'air au-dessus d'un anticyclone et qui peut se situer à n'importe quelle altitude
  2. l'inversion nocturneest une couche d'inversion due au refroidissement de l'air près du sol durant la nuit, lorsque le ciel est dégagé, par rayonnementinfrarouge.On retrouve souvent ce type de couche d'inversion pendant les nuits d'hiver dans un anticyclone
  3. l'inversion d'advectionse produit quand la masse d'air passe sur un sol plus froid comme sur une surface enneigée ou un cours d'eau froid qui refroidit la couche inférieure de l'air. Elle est plus marquée la nuit quand elle se combine à l'effet nocturne
  4. l'inversion frontalese forme quand l'air chaud remonte un front chaud, n'arrivant pas à déloger l'air froid près du sol à l'approche d'unedépression.

Effets

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La couche d'inversion se comporte comme un véritable « couvercle ». La couche d'inversion comme lescouches isothermesdonne une grandestabilitéà l'air qui s'y trouve ce qui limite donc l'extension verticale des nuages,emprisonne les polluants de l'air ambiant issu des cheminées et des pots d'échappement et canalise les ondes sonores et électromagnétiques[2].

Accumulation des polluants

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Lorsque l'inversion débute au sol, les nuages de typestratusou labrume sèche(accumulation de poussières) qui s'y forment ressemblent à un tapis vu du dessus[2].La fumée de cheminée va s'étaler à la base de la couche d'inversion, ou bien labrumes'élevant d'un sol humide va stagner. En l'absence de vent suffisant pour rapidement disperser les polluants et si cette couche polluée est exposée auxUVsolaires, de nombreuxpolluantsphotochimiques, dont l'ozone troposphériquepeuvent y être produits et stagner. La couche d'inversion aggrave et fait durer les problèmes depollution atmosphérique.

  • Couche d'air pollué bloqué par une couche d'inversion (Fairbanks, Alaska, 2005).
    Couche d'air pollué bloqué par une couche d'inversion (Fairbanks,Alaska,2005).
  • Nappe de fumée grise stagnant au-dessus du sol, due à des conditions d'inversion atmosphérique
    (Hauts-de-France,25 février 2019).

Inhibition de la convection

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Nuages piégés sous une couche d'inversion, dans lePuy-de-Dôme.

Si la couche est en altitude mais que l'air est humide et instable sous celle-ci, elle deviendra lesommet des nuagesqui s'y formeront[3].Ainsi, un anticyclone dont la subsidence n'atteint pas le sol présente souvent desstratocumulussous son inversion parsubsidence[2].Lesbulles thermiquesurbaines montent également jusqu'à la couche d'inversion, mais ne peuvent la franchir.

Si l'inversion vient à être rompue, par un phénomène thermique comme le réchauffement diurne de surface ou mécanique comme le passage d'uncreux barométrique,l'énergie accumulée est soudainement relâchée. Des nuages à forte extension verticale peuvent être engendrés qui donneront desaversesou desorages.De plus, l'écoulement laminairede l'air peut devenirturbulent.

Inversion marine

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Une inversion marine se développe à la surface d'une grande masse d'eau telle que l'océan, une mer ou un lac, généralement initiée par l'effet de refroidissement de l'eau sur la couche superficielle d'une masse d'air par ailleurs chaude. La couche peut s'épaissir par la turbulence générée dans la couche marine en développement ou par l'approche d'unezone dépressionnaire.L'évaporation de la surface de l'étendue d'eau et le refroidissement dans la couche peuvent mener à la formation debrouillardpar condensation ainsi que destratusetstratocumulus maritimesau sommet.

Dans les zones côtières, l'inversion marine au large peut envahir l'intérieur des terres grâce au gradient de pression qui se développe à la suite du réchauffement diurne sur le continent, créant unebrise de mer.Le brouillard et les nuages recouvrent alors les communautés côtières et persistent jusqu'à ce que la chaleur du soleil les évapore. Un système frontal ou un creux qui approche peut également entraîner la couche marine sur terre.

Une inversion marine se disperse et se brise en présence d'instabilité, comme à cause du passage d'unfront froid,d'uncreux barométriqueou de toute turbulence en altitude.

Ondes acoustiques

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Article détaillé:Acoustique.
La voix porte loin dans une zone d'inversion thermique.

L'atténuation des bruits est due à la compression élastique dans un gaz à pression constante. En situation normale, l'onde sonore se propage tout en s'élargissant, perdant graduellement de son intensité (atténuation géométrique) et par absorption du milieu traversé[4].Lorsqu'une inversion est présente près du sol, inversion matinale ou marine, le son s'élevant vers le haut passe graduellement d'une couche d'air caractérisé par une certaine densité à une autre de moindre densité, ce qui cause uneréfraction[5],[6].Si l'inversion est très marquée, il peut y avoir réflexion totale vers le sol du son ce qui, en le concentrant, fait qu'il sera entendu beaucoup plus loin que la normale par effet deguide d'ondes[7].Dans ces conditions, un avion décollant enpostcombustion,uneexplosionou même la voix humaine pourront être entendus à plus grande distance.

Ondes électromagnétiques

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Suréfraction du faisceau radar qui peut noter des précipitations sous l'horizon
Article détaillé:Propagation anormale.

Comme pour les ondes sonores, les ondes électromagnétiques vont subir une réfraction quand la densité de l'air change. L'indice de réfraction(n) dans le vide est de 1 mais il varie dans l'air avec la température (T), la pression (p) et la pression de vapeur d'eau (e) selon la formule[8]:

Une onde électromagnétique se déplaçant dans une atmosphère standard où la température, l'humidité et la pression diminuent selon une courbe normale avec l'altitude, le calcul de sa position avec altitude devient une courbe et non une ligne droite. Dans les inversions de températures ou d'humidité, l'indice de réfraction diminue plus rapidement que la normale dans la couche ce qui fait recourber le faisceau radar vers le bas dans unepropagation anormale[9],[10].Si l'inversion est près du sol, le faisceau frappe celui-ci à une certaine distance de l'émetteur puis retourne en partie vers ce dernier. Si l'inversion est en altitude, le faisceau se propage à très grande distance, l'inversion agissant comme unguide d'ondes[9].

Cet effet est utilisé par les télécommunications hertziennes pour étendre la portée du signal et noté sur les donnéesradarscomme unartefact.Il est même visible par tous dans lerayon vert,unphénomène optiquede réfraction très rare qui peut être observé au lever ou au coucher duSoleil,et qui prend la forme d'un point vert visible un bref instant (quelques secondes) à son sommet, lorsqu'il frôle l'horizon[11].Un tel phénomène peut également être observé avec la Lune[12].

Vol à voile

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Une couche d'inversion est très défavorable à la pratique du vol à voile. Lors d'une inversion nocturne, la température peut s'élever lorsqu'on monte en altitude ce qui annihile touteconvection thermique.En cours de journée, une inversion de subsidence limite fortement la production de boucles de convection thermique. En effet, de courtes ascendances peuvent se former à proximité du sol surchauffé; elles perdront rapidement leur énergie à cause de l'air subsidant.

Notes et références

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  1. ↑«Couche d'inversion»,Glossaire météorologique,Eumetcal(version dusurInternet Archive).
  2. ↑abcetd«Inversion de température»,Glossaire météorologique,Météo-France(version dusurInternet Archive).
  3. ↑(en-US)«Capping inversion»,Meteorological Glossary,American Meteorological Society(consulté le).
  4. ↑Sébastien Perrin, «La Physique des ondes sonores (Atténuation sonore)», suraufutur.fr,(consulté le).
  5. ↑«Effet du vent et du gradient de température sur les ondes sonores»,Acoustique générale,Soft dB,(consulté le).
  6. ↑(en)Hannah Lindsay, «Wind and Temperature Effects on Sound Propagation»,New Zealand Acoustics,vol.20,no2,‎(lire en ligne[PDF],consulté le).
  7. ↑«Propagation (Effets atmosphériques)», Bruiparif,(consulté le).
  8. ↑(en-US)F Fabry, C Frush, I Zawadzki et A Kilambi, «Extracting near-surface Index of refraction using radar phase measurements from ground targets»,Journal of Atmospheric and Oceanic Technology,American Meteorological Society,no14,‎,p.978-987(DOI10.1175/1520-0426(1997)014<0978:OTEONS>2.0.CO;2,lire en ligne,consulté le).
  9. ↑aetb(en)Mike Willis, «Propagation»(consulté le).
  10. ↑(en-GB)LesBarclay(dir.),Propagation of radio waves,Londres, The Institution of Engineering and Technology,coll.« Electromagnetic Waves » (no502),,2eéd.(1reéd.1996), 352p.(ISBN0-85296-102-2et978-0-85296-102-5,présentation en ligne,lire en ligne),chap.7(« Clear-Air Characteristics Of The Troposphere (auteur K.H. Craig) »),p.103-120.
  11. ↑Thierry Lombry, «Ciel bleu et rayon vert», surastrosurf.com(consulté le).
  12. ↑(en)ESO,«Rare Moon Green Flash Captured»(consulté le).

Voir aussi

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