Pourquoi les couleurs d'automne descendent-elles de la montagne ?
― Plus près du Soleil, mais environ 0,6 °C de moins tous les 100 m
À l'automne, les informations annoncent : « les couleurs sont descendues du sommet vers mi-pente ». Ce qui déclenche le changement de couleur, c'est le froid, et il fait plus froid en altitude. Mais pourquoi un sommet, plus proche du Soleil, est-il si froid ? La réponse : l'air n'est pas chauffé par le haut, mais par le bas.
Début novembre, vous regardez une montagne au loin. Seul le haut est teinté de rouge et de jaune. Les arbres du pied sont encore verts.
Deux semaines plus tard, la frontière des couleurs est descendue à mi-pente. On dirait que la couleur coule peu à peu depuis le sommet.
Pourtant, c'est étrange. Le sommet est plus près du Soleil que le pied, de plusieurs milliers de mètres. Alors pourquoi le froid arrive-t-il d'abord par le haut ?
Deux raisons seulement expliquent le froid en altitude
La lumière du Soleil traverse presque sans effet l'air et chauffe d'abord le sol. L'air n'est réchauffé que par en dessous, au contact de ce sol tiède. Loin de la source de chaleur, en altitude, il reste froid.
En altitude, il y a moins d'air au-dessus, donc la force qui presse (la pression) est plus faible. Quand l'air proche du sol monte, il gonfle. En gonflant, il puise dans sa propre chaleur et se refroidit.
Ces deux effets se cumulent : en montagne, la température baisse en moyenne d'environ 0,6 °C tous les 100 m. Ce sont les nuits fraîches qui donnent le signal du changement de couleur. Quand la ligne du froid descend, les couleurs descendent avec elle.
Plus près du Soleil, pourquoi fait-il froid ?
Le Soleil est à environ 150 millions de km. Une montagne de 3 km de haut ne représente que 1/50 000 000 de cette distance. Le gain d'ensoleillement dû à ce rapprochement est quasi nul.
Ce qui compte vraiment, c'est l'endroit où la chaleur naît. L'essentiel de la lumière traverse l'air et atteint le sol. Le sol réchauffé chauffe l'air à son contact. L'air tiède, plus léger, s'élève et, en se mélangeant, transporte la chaleur vers le haut.
Pensez à une pièce avec un poêle. Près du poêle, il fait chaud ; plus on s'éloigne, plus il fait froid. Pour l'atmosphère, le poêle n'est pas le Soleil, mais le sol sous nos pieds.
Pourquoi l'air qui monte se refroidit-il ?
Quand une masse d'air gonfle, elle repousse l'air autour d'elle. Repousser demande un effort, et l'énergie vient de la chaleur de l'air lui-même. Plus il gonfle, plus il se refroidit.
À l'inverse, comprimer l'air le réchauffe. Si vous pompez plusieurs fois avec une pompe à vélo, le bas du tube devient chaud pour cette raison. Le vent qui redescend d'une montagne et devient brûlant suit le même mécanisme, à l'envers.
L'air est sans cesse brassé de haut en bas par le vent et les courants ascendants. Résultat : sur un versant, l'altitude et la température sont liées par une relation à peu près fixe, d'environ 0,6 °C par 100 m en moyenne. Au sommet du mont Fuji (3776 m), il fait donc plus de 20 °C de moins qu'au pied.
De combien de mètres par jour la frontière des couleurs descend-elle ?
Les feuilles commencent à changer de couleur quand la température minimale du matin passe sous 8 °C environ. Plus l'automne avance, plus la température baisse un peu chaque jour dans la vallée. La « hauteur des 8 °C » glisse alors, elle aussi, un peu plus bas chaque jour.
Avec le curseur de la figure 2, faites varier la température minimale dans la vallée. La ligne pointillée marque la limite : « au-dessus, il fait moins de 8 °C ». Tant que la vallée est douce, seul le sommet se colore. Quand elle se refroidit, la ligne descend vers le pied.
Faisons le calcul. À Tokyo, la température normale baisse d'environ 0,16 °C par jour entre octobre et novembre. Traduit en altitude, la frontière descend d'environ 27 m par jour, soit environ 800 m par mois. C'est la vitesse à laquelle le pic des couleurs passe du sommet à la vallée en un à deux mois.
Par une nuit claire sans vent, le sol perd sa chaleur vers le ciel et l'air proche du sol devient le plus froid. Le fond de la vallée peut alors être plus froid qu'à mi-pente. On dit qu'une bande où les couleurs et le givre arrivent plus tard peut se former à mi-versant.
S'il fait 15 °C dans la vallée, il fait environ 6 °C au belvédère situé à 1500 m. Avec du vent, on a encore plus froid. Pour aller voir les feuillages en montagne, habillez-vous comme pour la saison suivante.
En résumé
Ce qui chauffe l'air, ce n'est pas le Soleil lui-même, mais le sol qu'il a réchauffé. De plus, l'air qui monte gonfle et se refroidit de lui-même. Voilà pourquoi la montagne est plus froide en haut, et pourquoi le froid d'automne atteint d'abord le sommet. Les feuillages d'automne suivent cette ligne du froid : un « thermomètre visible ».
Le poêle de l'atmosphère n'est pas dans le ciel, mais sous nos pieds.
Les couleurs d'automne sont la « ligne des 8 °C » qui descend la montagne.
Ce qui se passe dans la feuille pour qu'elle change de couleur est expliqué dans « Pourquoi les feuilles rougissent-elles ou jaunissent-elles à l'automne ? ». Pour le mécanisme où l'air se refroidit en gonflant et se réchauffe en se comprimant, lisez « Pourquoi le vent qui franchit une montagne devient-il soudain chaud ? », et pour savoir pourquoi les arbres ne poussent plus très haut, « Pourquoi les arbres ne poussent-ils plus en haute montagne ? ».
- Choisissez une montagne visible depuis chez vous ou l'école, et photographiez-la du même endroit par temps clair.
- Continuez chaque semaine et comparez où se trouve la frontière entre la partie colorée et la partie verte.
- Avec une application de cartes, cherchez l'altitude de cette frontière. Calculez de combien de mètres elle a baissé en une semaine.
Consultez aussi la température minimale d'une station proche, par exemple dans les « données météo passées » de l'Agence météorologique japonaise. Les semaines où il a le plus refroidi, la frontière a peut-être le plus baissé.
Pour aller plus loin ― termes, formules, lien avec les manuelsDu collège à l'université : le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeNiveau des cours de sciences du collège
- LycéeNiveau des cours de « sciences de la Terre » et de physique au lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou contenu d'encadré de manuel
- Univ.Matières spécialisées de l'université (météorologie, thermodynamique de l'atmosphère), non vues au lycée
- RechercheSujets que les chercheurs étudient en ce moment, pas encore enseignés comme acquis
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Gradient thermique vertical : vitesse à laquelle la température baisse quand l'altitude augmente. Pour les montagnes japonaises, on utilise souvent environ 0,6 °C par 100 m.
- Détente adiabatique : dilatation d'un gaz sans échange de chaleur avec l'extérieur. Il puise dans sa propre chaleur pour se dilater, donc sa température baisse.
- Front des feuillages d'automne (kōyō zensen) : ligne reliant sur la carte les dates où les érables, etc., se colorent. Elle avance du nord au sud en plaine, et de haut en bas en montagne.
CollègeLycéeVérifier par la formule : vitesse de descente de la frontière
On met en formule le lien entre altitude et température, pour trouver l'écart de température entre le haut et le bas du mont Fuji, puis la distance dont la frontière descend chaque jour. Symboles : T = température (en °C), h = altitude (m), Γ = gradient thermique (°C/m).
| En symboles | T(h) ＝ T₀ − Γ × h , hauteur de la frontière h₈ ＝ ( T₀ − 8 ) ÷ Γ |
| En mots | Température à cette altitude = température de la vallée − (baisse par 100 m × altitude) |
| D'où vient la formule | L'air qui monte voit sa pression baisser et se dilate ; ce travail le refroidit (premier principe de la thermodynamique, et équilibre entre le poids de l'air et la pression). Pour de l'air sec, en théorie Γ = accélération de la pesanteur ÷ chaleur massique à pression constante. Dans l'atmosphère réelle, la chaleur de condensation de la vapeur d'eau s'ajoute, et la moyenne est d'environ 0,6 °C/100 m |
| Accélération de la pesanteur g | 9.8 m/s² |
| Chaleur massique de l'air sec à pression constante cp | 1005 J/(kg·K) |
| Gradient thermique moyen de l'atmosphère réelle | environ 0,6 °C par 100 m |
| Température moyenne mensuelle normale à Tokyo (octobre / novembre) | environ 18,8 °C / environ 14,0 °C |
| Altitude du mont Fuji | 3776 m |
| Gradient de l'air sec (par mètre) | 9.8 ÷ 1005 ≒ 0.0098 ℃ |
| Ramené à 100 m | 0.0098 × 100 ＝ 0.98 ℃ |
| La hauteur du Fuji en unités de 100 m | 3776 ÷ 100 ＝ 37.76 |
| Écart de température sommet–pied | 37.76 × 0.6 ≒ 22.7 ℃ |
| Baisse d'octobre à novembre (un mois) | 18.8 − 14.0 ＝ 4.8 ℃ |
| Baisse par jour | 4.8 ÷ 30 ＝ 0.16 ℃ |
| Hauteur dont la frontière descend par jour (en unités de 100 m) | 0.16 ÷ 0.6 ≒ 0.27 |
| Conversion en mètres | 0.27 × 100 ＝ 27 m |
| Hauteur descendue en un mois | 27 × 30 ＝ 810 m |
La température annuelle moyenne au sommet du Fuji est d'environ −6 °C, et l'écart avec Tokyo dépasse bien 20 °C, comme calculé. La frontière des couleurs descend d'environ 27 m par jour, soit environ 800 m par mois. Avec de l'air sec seul, la baisse devrait être d'environ 1 °C par 100 m, mais l'atmosphère réelle est plus douce. Cela tient entre autres à la chaleur que libère la vapeur d'eau quand les nuages se forment.
LycéeLycée+Air sec et air humide ne se refroidissent pas pareil
LycéeEn sciences de la Terre, on distingue le gradient adiabatique sec (environ 1 °C par 100 m) pour l'air sans nuage qui monte, et le gradient adiabatique humide (environ 0,5 °C par 100 m) pour l'air qui monte dans un nuage. Dans l'air humide, la chaleur libérée quand la vapeur devient gouttelettes (chaleur de condensation) atténue le refroidissement.
Lycée+La baisse moyenne réellement observée (gradient de l'environnement) se situe entre les deux. Dans l'atmosphère type internationale, elle est fixée à 6,5 °C par km jusqu'à 11 km. Cette limite s'appelle la « tropopause » ; au-dessus, la température ne baisse presque plus.
Univ.Température potentielle et stabilité de l'atmosphère
En thermodynamique de l'atmosphère, on appelle température potentielle la température qu'aurait l'air s'il était amené de façon adiabatique sèche à une pression de référence (1000 hectopascals). Elle se conserve que l'air monte ou descende ; en regardant comment elle varie avec l'altitude, on sait si l'air se mélange facilement de haut en bas (stabilité statique). Le gradient adiabatique sec Γd ＝ g ÷ cp découle du premier principe de la thermodynamique et de l'équilibre hydrostatique (équilibre entre le poids de l'air et la différence de pression).
📖 Dérivation de la formule et suite : Gradient thermique vertical (Wikipédia en japonais) ／ Atmosphère type internationale (Wikipédia en japonais)
RechercheCe qu'on ne sait pas encore bien
- Le signal du changement de couleur est-il seulement la température ? La durée de la nuit, l'intensité du soleil en journée et la sécheresse du sol y contribuent aussi, dit-on ; le poids de chaque facteur selon l'espèce d'arbre est en cours d'étude.
- De combien le réchauffement retardera-t-il les couleurs ? Au Japon, on rapporte que la date de coloration des érables recule depuis plusieurs décennies, mais on ne sait pas bien si le retard est le même en haut et en bas des montagnes, faute de points d'observation.
- Le refroidissement fin des versants. Les nuits où l'air froid s'accumule dans la vallée, la relation entre altitude et température s'inverse. Prévoir comment le relief de chaque montagne perturbe la bande de couleurs reste difficile.
Le contenu de cet article est donc lui aussi « une explication dans l'état actuel des connaissances ». Le chiffre de 0,6 °C par 100 m est une moyenne, qui varie selon la météo du jour.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière · chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences, 2e année « La météo et ses changements » (formation des nuages) | L'air qui monte gonfle et se refroidit |
| Lycée | Sciences de la Terre « Structure de l'atmosphère », physique « Transformations d'un gaz » | Gradients adiabatiques sec et humide |
| Lycée+ | Sciences de la Terre avancées (atmosphère type, tropopause) | La convention de 6,5 °C par km |
| Univ. | Météorologie, thermodynamique de l'atmosphère | Température potentielle, stabilité statique, équilibre hydrostatique |
| Recherche | Phénologie, recherche sur le changement climatique | Le signal de coloration et le retard dû au réchauffement |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Saison et tenue pour admirer les feuillages, lire la météo en montagne |
- Yoshimitsu Ogura, 『一般気象学（第2版補訂版）』 (Météorologie générale, 2e éd. révisée), Presses de l'Université de Tokyo
- Agence météorologique japonaise (気象庁), « Recherche de données météo passées » (normales de Tokyo et du mont Fuji)
- Observatoire astronomique national du Japon (国立天文台) éd., 『理科年表』 (Chronologie scientifique), Maruzen Publishing (section météo, atmosphère type)
- Atmosphère type internationale (国際標準大気) - Wikipédia en japonais
※ Cet article est une explication scientifique grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur et des estimations pour comprendre le mécanisme. Avant une sortie en montagne, consultez les dernières informations météo publiées par l'Agence météorologique japonaise ou un service équivalent.