Pourquoi la température diminue-t-elle avec l'altitude?

De manière générale, la température dépend de la pression. Plus la pression augmente, plus la température est élevée. Dans des conditions météorologiques comparables, les températures les plus élevées sont mesurées au niveau de la mer, la pression de l'atmosphère étant la plus haute au niveau de la mer. Plus on s'élève en altitude, plus la température diminue, parce que la pression diminue.

Outre la pression, le type de réchauffement de l'atmosphère joue un rôle primordial. L'atmosphère est principalement réchauffée par la surface de la Terre. Cela signifie que le rayonnement solaire de courtes longueurs d'ondes chauffe la surface terrestre. La surface ainsi chauffée émet à son tour un rayonnement thermique de grandes longueurs d'ondes à l'atmosphère qui se situe au-dessus.

Plus l'atmosphère contient de vapeur d'eau (sous forme de gaz, invisible), plus elle est capable d'absorber le rayonnement thermique. Une couche atmosphérique ainsi réchauffée devient elle-même source de rayonnement thermique, réémettant la chaleur qu'elle a absorbée. Une grande partie de cette chaleur de l'atmosphère est renvoyée en direction de la surface terrestre. C'est ce qui s'appelle le contre-rayonnement atmosphérique, il s'agit ici d'ondes longues. Ce contre-rayonnement est également actif pendant la nuit. (Le processus comprenant le rayonnement entrant de courtes longueurs d'ondes et le contre-rayonnement atmosphérique de grandes longueurs d'ondes n'est rien d'autre que l'effet de serre naturel.)

La teneur en vapeur d'eau de l'atmosphère dépend de la pression. Lorsque l'altitude augmente et que la pression diminue, la teneur en vapeur d'eau devient de plus en plus faible. C'est la raison pour laquelle, plus on monte en altitude, moins l'atmosphère est capable d'absorber le rayonnement thermique et de le réfléchir vers la Terre. Cela signifie qu'avec l'altitude l'atmosphère devient de plus en plus perméable pour la chaleur envoyée par la surface de la Terre. La chaleur non absorbée se perd alors dans l'espace.

Quand de l'air chaud s'élève, il se dilate vers le haut sous l'effet de la baisse de la pression. L'expansion de l'air nécessite de l'énergie et cette énergie est puisée dans la chaleur transportée. Ainsi, l'air ascendant se refroidit au fur et à mesure qu'il monte en altitude et qu'il se dilate.