Lorsqu’une parcelle d’air monte, elle commence à se dilater à mesure qu’elle rencontre moins de pression atmosphérique. Ce phénomène est observable dans la vie quotidienne. Par exemple, si vous amenez un sac de croustilles (qui est essentiellement un colis aérien contenant de la malbouffe) à une altitude plus élevée, l’air à l’intérieur du sac se dilatera lorsque la pression d’air environnante diminuera. Le clip ci-dessous montre un sac SunChips en expansion lorsqu’il est conduit jusqu’à Pikes Peak dans le Colorado (où la pression de l’air est ~ 50% inférieure au niveau de la mer).
Ce même type d’expansion est observable, encore plus dramatiquement, dans un ballon robuste. Le clip en accéléré ci-dessous montre un ballon météorologique en hausse, qui se rapproche du comportement d’une parcelle d’air, se dilatant à mesure que la pression atmosphérique diminue lors d’une ascension d’environ 90 000 pieds. Le ballon se dilate à plus de 100 fois son volume d’origine, jusqu’à ce qu’il ne dise finalement « plus » et explose!
L’expansion rapide d’une parcelle d’air (lorsqu’elle rencontre une pression atmosphérique plus basse) la fera refroidir de manière significative — généralement de quelques degrés ou plus par 1 000 pieds. Le ballon météorologique ci-dessus, par exemple, s’est refroidi à une température bien inférieure au point de congélation à mesure qu’il se développait.
Ce refroidissement se produit parce qu’au niveau moléculaire, une parcelle d’air consomme une partie de son énergie interne lorsqu’elle se dilate. En un sens, l’énergie est nécessaire pour que la parcelle d’air « sorte » dans l’environnement. Une réduction de l’énergie interne correspond à une réduction de l’énergie thermique. Par conséquent, lorsque l’énergie interne d’un gaz diminue, sa température diminue également. (Si vous êtes intéressé par le comportement thermodynamique détaillé des gaz et la nature de ce qu’on appelle « l’expansion adiabatique », vous pouvez en savoir plus ici.)
Un bon exemple de refroidissement domestique lié à l’expansion consiste à laisser sortir l’air d’un pneu de vélo. Un gars nommé Ryan le démontre ci-dessous sur YouTube. Ryan laisse l’air sortir de son pneu de vélo; l’air se dilate naturellement lorsqu’il passe d’une pression élevée (à l’intérieur du pneu) à une pression plus basse (à l’extérieur du pneu). Comme prévu, l’air se refroidit beaucoup au cours du processus, comme le montre la jauge de température Celsius.
D’un autre côté, lorsqu’une parcelle d’air rencontre une pression atmosphérique plus élevée, elle se comprime et se réchauffe. Ryan d’en haut a posté une autre vidéo montrant comment la température de l’air augmente lorsqu’il est comprimé pour gonfler un pneu de vélo.
De même, une parcelle d’air dans la nature se comprime et se réchauffe lorsqu’elle passe d’une altitude plus élevée à une altitude plus basse. L’augmentation de la pression atmosphérique écrase la parcelle, lui transférant ainsi de l’énergie interne et augmentant sa température. C’est l’une des principales raisons pour lesquelles la vallée de la Mort — le point le plus bas d’Amérique du Nord – est si chaude: toute parcelle d’air qui descend à ce point bas d’une élévation subit une compression et un réchauffement intenses au cours du processus.
Un deuxième exemple instructif : pourquoi fait-il plus froid en montagne ?
Les montagnes sont plus froides que les altitudes inférieures pour la même raison fondamentale qu’il fait froid en dehors d’un avion: l’air est toujours en mouvement et tout air qui monte dans l’atmosphère se dilate et se refroidit.
Une différence majeure entre les avions et les montagnes est que lorsque vous êtes sur une montagne, vous êtes debout sur terre — plutôt que de voler dans le ciel. La terre peut être très efficace pour absorber l’énergie du soleil et transférer la chaleur à l’air à proximité. Ce type de réchauffement ne se produit pas dans l’atmosphère libre où vole un avion, car l’air lui-même n’absorbe pas facilement la lumière du soleil.
De cette façon, la lumière du soleil absorbée par la surface d’une montagne ou d’un haut plateau va agir pour augmenter les températures locales. Plus la surface d’une montagne est grande, plus l’effet de chauffage est important. Cependant, il y a des raisons pour lesquelles les montagnes sont encore généralement plus froides que la terre à des altitudes plus basses.
Tout d’abord, l’air est toujours en mouvement: une chaîne de montagnes donnée — même si elle est chauffée de manière significative par le soleil – rencontrera de l’air froid venant d’autres endroits vertigineux. Une grande partie de cet air sera assez froide car il n’a pas été réchauffé par une surface cuite au soleil. En effet, la terre a une surface relativement faible à haute altitude et a donc une capacité limitée à chauffer de l’air à haute altitude à grande échelle.
Deuxièmement, une partie de l’air arrivant dans les montagnes se sera élevée à des altitudes plus basses, s’est dilatée et s’est refroidie en raison de la baisse de la pression atmosphérique.