Si vous lisez régulièrement notre blog, vous êtes probablement déjà tombé sur le mot « géopotentiel ». Mais qu’est-ce qui se cache derrière ce terme ? Alors que le record de hauteur du géopotentiel pour le mois d’avril vient d’être battu, nous en profitons pour vulgariser ce terme un peu technique.
Vous savez peut-être que la pression atmosphérique est directement liée au poids de l’atmosphère : on peut aisément s’imaginer une colonne d’air au-dessus de nous, la pression atmosphérique est simplement le poids (par unité de surface) de cette colonne. Imaginons un chat qui se trouve au niveau de la mer à une pression de 1000 hectopascal (hPa), comme illustré sur la Figure 1. Le poids exercé par l’atmosphère sur une surface d’un mètre carré est alors de 100'000 Newton, soit une masse d’environ 10'000 kg ! Imaginons maintenant un oiseau qui vole à un niveau de pression de 500 hPa. A quelle altitude se trouve cet oiseau ? ll se trouve évidemment en dessus du chat, étant donné que la pression diminue exponentiellement avec l’altitude. Cela est assez intuitif, car plus on monte, moins il y a « d’air en dessus de nos têtes », donc moins de poids exercé par cette colonne d’air. Mais à quelle hauteur en dessus du chat se trouve-t-il exactement ? Et bien cela dépend de la température moyenne de la colonne d’air.
Prenons l’exemple des deux colonnes d’air de la Figure 1 et concentrons-nous sur la tranche d’atmosphère entre 1000 et 500 hPa. La tranche de gauche est plus froide que celle de droite. Or, l’air froid est plus dense que l’air chaud. De plus, la masse de l’air contenue dans la tranche est la même dans les deux cas. En effet, dans les deux cas la différence de pression dans la tranche est de 500 hPa, ce qui correspond à une masse d’environ 5'000 kg. Donc, l’air froid, qui est plus dense, a besoin de moins de volume pour contenir ces 5'000 kg que l’air chaud. C’est pourquoi, l’altitude de l’oiseau qui vole à 500 hPa dans la colonne d’air chaud est plus élevée que dans la colonne d’air froid.
Si cet oiseau volait aujourd’hui au-dessus de la Suisse, il se trouverait à une altitude de 5'872 m. Mercredi à minuit, s’il volait au même niveau de pression de 500 hPa, il se serait trouvé à 5’576 m, soit pratiquement 300 m plus bas. Vous noterez que dans les deux cas, le chat n’a aucune chance d’attraper l’oiseau à cette altitude, ce qui nous permet de continuer d’utiliser notre volatile en toute confiance pour la suite de cet article. Vous noterez aussi que la plausibilité de trouver un animal voler à une telle altitude est également discutable.
Il s’agit simplement de l’altitude d’un certain niveau de pression. Dans notre exemple précédent, on dira que l’altitude du géopotentiel à 500 hPa s’élève aujourd’hui à 5'872 m (mesurée par le radiosondage de Payerne à 12 UTC), ce qui constitue un record pour le mois d’avril (voir Figure 2). Nous avons vu que cette altitude dépend principalement de la température moyenne de la colonne d’air. Mais nous avons (volontairement) négligé un aspect : la pression au niveau de la mer et c’est là que notre chat rentre à nouveau en action. Nous l’avons arbitrairement situé à 1000 hPa et fixé ce niveau de pression à celui de la mer par souci de simplification. Or, la pression réduite au niveau de la mer était de 1026 hPa mercredi vers minuit à Payerne et de 1033 hPa aujourd’hui vers midi. Donc une partie de la hausse de l’altitude du géopotentiel entre mercredi et aujourd’hui est due au fait que la pression au sol est plus élevée. Mais cette différence de 7 hPa explique seulement une hausse d’environ 50 m, donc la majeure partie de la hausse de 300 m du niveau 500 hPa entre mercredi et aujourd’hui est due à la masse d’air beaucoup plus chaude aujourd’hui. Ce record n’est donc pas si étonnant, sachant que nous sommes dans une masse d’air très chaude pour la saison avec un isotherme du 0 °C à 3722 m, 7e valeur la plus élevée pour un mois d’avril !
De manière générale, plus on monte, plus l’altitude du géopotentiel est influencée par la température moyenne de la masse d’air et moins par la variation de la pression au sol. C’est pourquoi les dépressions d’altitude sont souvent nommées « gouttes froides », car elles correspondent effectivement à une anomalie d’air froid en très haute altitude (5 à 10 km).
Car elle nous renseigne sur les conditions atmosphériques en altitude : elle nous permet d’identifier l’équivalent des dépressions et des anticyclones en altitude (on les nomme respectivement talweg et dorsale).
Une application très concrète est celle du niveau de vol des avions. Les aéronefs mesurent leur altitude en niveau de pression. Ce niveau de pression est traduit en altitude au-dessus de l’isobare 1013.25 hPa dans des conditions atmosphériques standards, mais l’altitude réelle de l’avion dépend des conditions atmosphériques réelles. C’est l’altitude du géopotentiel au niveau de pression de l’avion qui va déterminer son altitude réelle (voir cet article).
La définition physique du géopotentiel est le travail requis pour élever une masse unitaire d’une certaine distance au-dessus du sol. Il s’agit donc d’une mesure d’énergie potentielle et se mesure en joule par kilogramme. La hauteur du géopotentiel est simplement le géopotentiel normalisé par la pesanteur moyenne globale au niveau de la mer (9.81 m/s2). Étant donné que la pesanteur varie avec l’altitude et avec la latitude, la hauteur du géopotentiel ne correspond pas strictement à la hauteur géométrique, mais dans la troposphère, cette différence est négligeable (0.1 à 0.5 %).
Nous avons expliqué que la différence de hauteur du géopotentiel entre deux niveaux de pression était directement liée à la température moyenne entre ces niveaux. Il faudrait utiliser le terme température virtuelle pour être exact. En effet, l’humidité, en plus de la température, influence la densité de l’air. L’air humide est plus léger que l’air sec, car une molécule d’eau est plus légère qu’une molécule d’azote ou d’oxygène, les composants principaux de l’air. La température virtuelle correspond à la température qu’aurait de l’air sec à la même pression et à la même densité que de l’air humide. Cela permet donc de directement comparer la densité de deux masses d’air : l’air avec une température virtuelle plus élevée est toujours plus léger que celui avec une température virtuelle plus basse. La température virtuelle est toujours plus élevée ou égale à la température réelle.