Couche d'inversion

Une couche d'inversion est une couche d'air dont le gradient de température est positif, c'est-à-dire que celle-ci croît avec l'altitude. En effet, dans la troposphère la température de l'air diminue normalement avec l'altitude, d'environ 6,5 °C par 1 000 m.

Une telle couche peut se trouver à n'importe quelle altitude et son épaisseur peut aller de quelques centaines de mètres à plusieurs milliers. Si elle se forme juste au-dessus du sol, elle emprisonne l'humidité et les polluants permettant la formation de brouillard et de smog. Elle peut également se retrouver en altitude, en avant d'un front chaud par exemple, et limiter la formation et l'extension des nuages convectifs.

Nuages piégés sous une couche d'inversion, dans le Puy-de-Dôme

Exemple de nappe d'une épaisse fumée noire s'étalant au dessus du sol, en raison de conditions d'inversion atmosphérique (nord de la France, 25 février 2019)

Origine

En général, une couche d'inversion se produit dans un anticyclone ou à l'avant d'un front chaud. Elle peut survenir de quatre façons :

• L’inversion de subsidence est une couche d'inversion causée par la descente et le réchauffement de l'air dans la colonne d'air au-dessus d'un anticyclone. Elle peut se situer à n'importe quelle altitude ;
• L’inversion nocturne est une couche d'inversion due au refroidissement de l'air près du sol durant la nuit, lorsque le ciel est dégagé, par rayonnement infrarouge. On retrouve souvent ce type de couche d'inversion pendant les nuits d'hiver dans un anticyclone ;
• L’inversion d'advection se produit quand la masse d'air passe sur un sol plus froid comme sur une surface enneigée ou un cours d'eau froid. Cette dernière refroidit la couche inférieure de l'air. Elle est plus marquée la nuit quand elle se combine à l'effet nocturne ;
• L’inversion frontale se forme quand l'air chaud remonte un front chaud, n'arrivant pas à déloger l'air froid près du sol à l'approche d'une dépression.

Effets

La couche d'inversion se comporte comme un véritable « couvercle ». La couche d'inversion comme les couches isothermes donne une grande stabilité à l'air qui s'y trouve ce qui limite donc l'extension verticale des nuages ou emprisonne les polluants de l'air ambiant issu des cheminées, des pots d'échappement et des ondes.

Accumulation des polluants

Couche d'air pollué bloqué par une couche d'inversion (Fairbanks, Alaska, 2005)

Lorsque l'inversion débute au sol, les nuages de type stratus ou la brume sèche (accumulation de poussières) qui s'y forment ressemblent à un tapis vus du dessus. La fumée de cheminée va s'étaler à la base de la couche d'inversion, ou bien la brume s'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 aux UV solaires, de nombreux polluants photochimiques, dont l'ozone troposphérique peuvent y être produits et stagner. La couche d'inversion aggrave et fait durer les problèmes de pollution atmosphérique.

Inhibition de la convection

Si la couche est en altitude mais que l'air est humide et instable sous celle-ci, elle deviendra le sommet des nuages qui s'y formeront. Ainsi, un anticyclone dont la subsidence n'atteint pas le sol présentera souvent des stratocumulus sous son inversion par subsidence. Les bulles thermiques urbaines monteront également jusqu'à la couche d'inversion, mais ne pourront 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'un creux barométrique, l'énergie accumulée sera soudainement relâchée. Des nuages à forte extension verticale peuvent être engendrés qui donneront des averses ou des orages. De plus, l'écoulement laminaire de l'air deviendra turbulent.

Ondes acoustiques

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. 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 une réfraction. 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. Dans ces conditions, un avion décollant en postcombustion, une explosion ou même la voix humaine pourront être entendus à plus grande distance.

Ondes électromagnétiques

Suréfraction du faisceau radar qui peut noter des précipitations sous l'horizon

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 :

$n=1+(77,6{\frac {p}{T}}+3,73\times 10^{5}{\frac {e}{T^{2}}})\times 10^{-6}$

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. 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 propagera à très grande distance, l'inversion agissant comme un guide d'onde.

Cet effet est utilisé par les télécommunications hertziennes pour étendre la portée du signal et noté sur les données radars comme un artefact. Il est même visible par tous dans le rayon vert, un phénomène optique de réfraction très rare qui peut être observé au lever ou au coucher du Soleil, et qui prend la forme d'un point vert visible un bref instant (quelques secondes) à son sommet, lorsqu'il frôle l'horizon. Un tel phénomène peut également être observé avec la Lune.

Vol à voile

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 toute convection thermique. En cours de journée, une inversion de subsidence va fortement limiter la production de boucles de convections thermiques. En effet, de courtes ascendances peuvent se former à proximité du sol surchauffé ; elles perdront rapidement leur énergie à cause de l'air subsidant.

Voir aussi

• Micro-particule
• Nanoparticule
• Ozone au niveau du sol
• Polluant
• Photochimie
• Surveillance de la qualité de l'air,
• Normes de qualité de l'air
• Réchauffement climatique
• Santé-environnement