La couche limite atmosphérique (CLA) est la couche de la troposphère directement influencée par la surface terrestre. En moyenne, la couche limite atmosphérique est comprise entre la surface terrestre et une hauteur généralement de quelques centaines de mètres à généralement 1500 m, parfois jusqu’à 2000 m. Au dessus de la CLA, l’influence de la surface est négligeable et l’écoulement de l’air (vent) est laminaire : c’est l’atmosphère libre.

Dans la couche limite, l’écoulement de l’air est freiné par la rugosité de la surface, le relief, les vagues. Le vent y est par conséquent moins fort, mais aussi très turbulent. Cette turbulence est plus ou moins marquée selon le type de surface sur laquelle circule l’air (l’écoulement est moins turbulent sur mer que sur terre). L’étude de la couche limite et des turbulences est d’une très grande complexité. Il est toutefois intéressant de l’étudier car elle intervient sur la dispersion des polluants.

Au sein même de la couche limite

La couche limite de surface (CLS)

Comprise entre la surface et quelques dizaines de mètres, la couche limite de surface est la partie basse de la CLA. Dans cette couche, la température varie très rapidement avec la hauteur. La force de Coriolis étant négligeable, le vent garde une direction constante, mais augmente avec l’altitude.

La couche d’Ekman

Au dessus de la CLS, l’influence de la force de Coriolis n’est plus négligeable et augmente avec l’altitude, alors que dans le même temps les forces de frottements diminuent. Par conséquent, la force du vent augmente avec la hauteur et sa direction tourne progressivement. C’est la spirale d’Ekman (voir schéma). La rotation du vent s’effectue vers la droite lorsqu’on s’élève dans l’hémisphère nord, vers la gauche dans l’hémisphère sud.

Evolution diurne de la couche limite atmosphérique

Au cours d’une journée claire, sans nuage, le profil de température varie et avec les caractéristiques de la CLA.

En fin de journée, le sol se refroidit par rayonnement (voir dossier phénomènes radiatifs) et l’air à son contact aussi. Ce refroidissement gagne progressivement une couche d’air près du sol et une inversion de température se développe. Cette inversion peut atteindre une centaine de mètres. Au dessous, l’air froid est très stable et cette stabilité est propice à un vent calme sans turbulence (la stabilité a tendance à annihiler la turbulence). Les polluants émis en dessous de l’inversion sont piégés et ne se dispersent pas.

En début de journée, le sol se réchauffe progressivement ainsi que l’air à son contact. La convection et les turbulences se mettent peu à peu en place près du sol et gagnent les couches au dessus, la couche d’Ekman. C’est l’érosion de la couche stable. Les turbulences augmentent les effets du vent (rafales plus fortes, vents plus turbulents) et les polluants se dispersent plus facilement.

Au cours de la nuit et sur terre, la couche limite est généralement plus stable et son épaisseur moindre. Elle ne favorise pas la turbulence et le vent est souvent plus faible qu’en journée. En journée, la couche limite est plus épaisse et plus turbulente, ce qui favorise de plus fortes rafales.