Atmosphère
atm — unité hors SI · grandeur : pression · 101 325 Pa exactement
Les puisatiers florentins se plaignaient qu'aucune pompe ne montait l'eau au-delà de dix mètres et demi, quels que soient les efforts. Galilée plaisanta : la nature semble manquer d'horreur du vide. Son élève Torricelli voulut en avoir le cœur net et remplaça l'eau par du mercure — quatorze fois plus lourd, donc la colonne serait plus courte et tiendrait sur une table. Le mercure du tube scellé s'arrêta à soixante-seize centimètres, et au-dessus resta un vide qui n'aurait pas dû exister. La pompe n'aspire donc rien : c'est l'air qui pousse l'eau dans le tuyau, et il pousse exactement avec la force que cette colonne peut équilibrer. Nous vivons, écrivit Torricelli, immergés au fond d'un océan d'air.
01 · Définition
L'atmosphère est une unité de pression hors SI valant exactement 101 325 pascals. Le nombre n'est pas mesuré mais fixé : c'est la pression d'une colonne de mercure de 760 mm à zéro degré sous l'accélération normale de la pesanteur, calculée une fois et inscrite comme définition depuis 1954.
Observez ce qui est arrivé à la logique. L'unité fut d'abord un objet : une colonne de mercure que l'on pouvait verser, mesurer à la règle et voir de ses yeux. Puis on calcula cet objet à partir de la masse volumique du mercure et de la pesanteur, on obtint un nombre à cinq chiffres — et l'on déclara unité le nombre lui-même. Le mercure devint alors inutile : si demain sa masse volumique est connue un peu mieux, l'atmosphère ne bougera pas, car elle ne parle plus de mercure.
Seule la seconde moitié du nom est trompeuse. L'atmosphère « normale » ne dit rien de ce qui se passe dehors : la pression réelle au sol varie de 870 hectopascals dans l'œil d'un typhon à 1085 au-dessus de la Sibérie hivernale, et exactement une atmosphère survient, à strictement parler, par hasard. C'est un point de référence, non une mesure : on y ramène les volumes de gaz, on en déduit les températures d'ébullition, on gradue les manomètres avec elle — et on l'appelle par habitude « pression normale », alors qu'aucune pression normale n'existe dans la nature.
Du nombre fixé découle toute l'arithmétique de cette fiche : l'atmosphère vaut exactement 760 millimètres de mercure, 1,013 25 bar et 1,033 atmosphère technique — cette fameuse « at », le kilogramme-force par centimètre carré, que l'on confond encore avec la vraie. L'écart est de trois pour cent : assez pour gâcher un calcul, trop peu pour repérer l'erreur au manomètre.
Une atmosphère, ce sont dix tonnes trois cent trente kilogrammes d'air posés sur chaque mètre carré : environ six cents kilogrammes sur les épaules d'un adulte, cent cinquante sur la paume. Elle ne nous écrase pas parce qu'elle pousse de l'extérieur comme de l'intérieur — mais qu'on en retire la moitié d'un côté, et la différence devient une force bien réelle. La ventouse, la paille, le palonnier à vide pour le verre et la cage thoracique à l'inspiration fonctionnent sur le même principe : abaisser un peu la pression d'un côté et laisser l'atmosphère faire le travail.
02 · Conversion
Saisissez une valeur — la fiche la convertira dans les autres
Trois familles : l'échelle des pressions elle-même, des objets familiers sous cette pression et les conditions standard fixées par l'atmosphère.
Le piège principal n'est pas dans les coefficients mais dans le point de départ. Un manomètre domestique — de pneu, de compresseur, tout appareil à aiguille — indique la pression relative, c'est-à-dire l'écart avec l'air ambiant ; « deux et demi dans le pneu » signifie trois et demi en absolu. Les formules des lois des gaz, les températures d'ébullition et les solubilités exigent la pression absolue. D'où les deux lettres des catalogues anglophones, psig et psia, et d'où la moitié des calculs gâchés : les confondre, c'est se tromper d'exactement une atmosphère, ce qui, aux basses pressions, dépasse la grandeur mesurée elle-même.
| Notation | Ce que cela signifie | Valeur | Où on la rencontre |
|---|---|---|---|
| atm | atmosphère normale | 1,0000 | chimie, plongée |
| Pa | pascal, l'unité SI | 101325 Pa | normes et calculs |
| kPa | kilopascal | 101,325 | pneus, technique en SI |
| bar | bar | 1,01325 | hydraulique, plongée |
| hPa | hectopascal, alias millibar | 1013,3 | bulletins météo |
| mmHg | torr | 760,00 | médecine, technique du vide |
| at | technique, kgf/cm² | 1,0332 | documentation ancienne |
| psi | livre par pouce carré | 14,696 | technique anglo-saxonne |
| mmHg | Tension artérielle | 101325 Pa | 120 mm — systolique chez un adulte sain |
| bar | Pneu de voiture | 101325 Pa | 2,5 bar au manomètre |
| atm | Bouteille de plongée | 101325 Pa | 200 atmosphères dans une bouteille d'acier |
| hPa | Bulletin météo | 101325 Pa | 1013 hPa au niveau du sol |
| atm | Conditions standard de l'IUPAC | 101325 Pa | 1 bar depuis 1982, auparavant l'atmosphère |
| kPa | Conditions normales | 101325 Pa | 101,325 kPa et 0 °C |
| mmHg | Étalonnage barométrique | 101325 Pa | 760 mm à 0 °C et g₀ |
Les conversions sont exactes : toutes ces unités sont définies à partir du pascal par des coefficients entiers, et aucune n'est sujette à révision expérimentale. Le seul nombre vivant du tableau est l'hectopascal : il coïncide avec le millibar, et c'est pourquoi la météorologie a changé d'unité sans réapprendre le métier aux observateurs ni redessiner les cartes.
03 · Ordres de grandeur
logarithme décimal de la pression, atmosphèresLe domaine habitable et la technique ordinaire
04 · Instruments de mesure
Avec quoi on mesure l'atmosphère
Un tube de verre d'un mètre, scellé à une extrémité, rempli de mercure et renversé dans une cuvette : le mercure descend jusqu'à s'arrêter à la hauteur d'équilibre, et au-dessus subsiste le vide de Torricelli — le premier vide fait de main d'homme. L'instrument est d'une exactitude irréprochable et parfaitement incommode : il est lourd, craint l'inclinaison et exige des corrections de température du mercure et de pesanteur locale. En revanche, il n'a pas besoin d'étalonnage — la règle est l'échelle.
Le même principe poussé jusqu'à la métrologie : la cuvette est fermée par une poche de cuir et une vis amène chaque fois son niveau au zéro de l'échelle — une pointe d'ivoire qui doit effleurer son reflet dans le mercure. C'est seulement ensuite qu'on lit le sommet de la colonne au vernier, au dixième de millimètre. Avec de tels baromètres on fixait la pression sur les bancs d'étalonnage jusqu'au milieu du XXᵉ siècle, et c'est de leurs indications, ramenées à zéro degré et à la pesanteur normale, qu'est né le nombre 101 325.
À la place du mercure, une capsule plate et ondulée dont l'air a été retiré : elle s'aplatit un peu quand la pression monte et se redresse quand elle baisse. Sa paroi se déplace de quelques dixièmes de millimètre, et toute l'astuce de l'instrument tient aux leviers qui amplifient ce mouvement jusqu'au débattement de l'aiguille. On peut transporter un anéroïde, le faire tomber et l'accrocher dans l'entrée, mais il ment avec le temps : le ressort se fatigue et il faut le comparer au baromètre à mercure. Ainsi une même grandeur reçut un instrument « juste » et un instrument « commode ».
Dans le téléphone vit une membrane de silicium de la taille d'un grain de sable : elle fléchit sous la pression, et avec sa flexion changent la capacité ou la résistance des jauges de contrainte sur son bord. La sensibilité est d'environ dix pascals, soit moins d'un mètre d'altitude, et c'est pourquoi le navigateur distingue le premier étage du troisième. Il y a désormais plus de baromètres que de thermomètres dans le monde, et leurs relevés, collectés sur des millions de téléphones, alimentent déjà les modèles de prévision météorologique.
05 · Règles d'écriture
Trois minuscules et une réserve
L'unité ne porte pas le nom d'une personne, son symbole s'écrit donc en minuscules ; on ne lui accole pas de préfixes.
Un « A » majuscule se rencontre dans les catalogues de matériel importé et signale toujours une négligence, non une autre unité. Le bar diffère de l'atmosphère de 1,3 pour cent et fut introduit précisément pour disposer d'un nombre rond de pascals ; la météorologie a abandonné l'atmosphère en sa faveur dès les années trente, et les bulletins sont en hectopascals, numériquement égaux aux millibars. L'« at » technique est le kilogramme-force par centimètre carré : elle est plus petite que la vraie de trois pour cent et, dans l'ancienne documentation, revient plus souvent qu'atm. La dernière ligne à droite concerne ce qui manque : sans la mention « absolue » ou « relative », un chiffre de pression est incomplet, et c'est la seule réserve qu'on ne peut omettre.
07 · Partie historique
Comment le vide est devenu une unité
L'expérience prit une minute et l'on en discuta vingt ans : au-dessus du mercure du tube se trouvait un vide qui, de l'avis général, ne pouvait exister. Torricelli expliqua tout d'un coup : la colonne est soutenue par le poids de l'air, et sa hauteur n'est pas constante — elle changeait d'un jour à l'autre. Un instrument conçu pour une querelle philosophique se révéla aussitôt prévisionniste du temps, et c'est le seul cas où la météorologie est née du vide.
Blaise Pascal raisonna : si l'air soutient la colonne, il y a moins d'air en montagne et la colonne doit baisser. Trop faible de santé, il envoya sur le puy de Dôme son beau-frère Florin Périer avec deux tubes : l'un resta au pied, sous la garde d'un moine, l'autre monta. Au sommet, le mercure descendit de trois pouces et une ligne. La querelle était close : l'air pèse, et il pèse moins à mesure que l'on monte.
Otto von Guericke, bourgmestre de Magdebourg, assembla deux hémisphères de cuivre, en retira l'air avec sa pompe et proposa à des attelages de les séparer. Huit chevaux de chaque côté n'y parvinrent pas ; sur un demi-mètre de diamètre, l'atmosphère maintenait la sphère avec une force d'environ deux tonnes. Le calcul est clair pour quiconque sait multiplier une surface par une pression, mais le spectacle l'expliqua mieux que toute démonstration — et entra dans les manuels pour quatre siècles.
Au milieu du XXᵉ siècle apparut une gêne : la définition par 760 millimètres de mercure traînait avec elle la masse volumique du mercure et la pesanteur locale, deux grandeurs sans cesse affinées. La dixième Conférence générale des poids et mesures trancha le nœud en déclarant l'atmosphère égale à 101 325 pascals par définition. L'unité perdit tout lien avec une substance et devint un simple facteur — le même procédé par lequel on détacha plus tard le mètre, puis le kilogramme, de leurs objets.
L'unité qu'on a abolie sans pouvoir la faire disparaître
L'atmosphère n'appartient pas au SI et son emploi n'est pas recommandé : la pression a le pascal, et pour les grandes valeurs ses préfixes. L'unité tient pourtant là où compte non le nombre mais la comparaison avec l'air du dehors. Le chimiste écrit « réaction à 3 atm » parce que ce qui lui importe est le rapport à la pression atmosphérique ; le plongeur compte la profondeur en atmosphères parce que chaque dizaine de mètres d'eau en ajoute exactement une et que c'est le calcul le plus commode de son métier ; le manomètre de pneu est gradué en bars et en atm, l'écart entre eux étant plus petit que l'incertitude de l'appareil. Le paradoxe métrologique tient à ceci : après 1954 l'atmosphère a cessé d'être une mesure pour devenir un facteur exact — c'est-à-dire exactement ce dont il est commode de se servir et exactement ce qu'on ne peut vérifier par l'expérience. On vérifie un baromètre, pas une unité ; et un baromètre étalonné en pascals n'affichera une atmosphère que par une rare coïncidence. Ses parentes ont connu un sort semblable : le millimètre de mercure est lui aussi défini par le pascal et lui aussi vivant — en médecine, où l'on mesure avec lui la tension artérielle, et aucune recommandation n'y a rien changé.
Catalogue · unités de mesure
Une fiche pour chaque grandeur
Sept unités de base du SI, vingt-deux unités dérivées portant un nom propre et des unités hors SI dont ne se passent ni la technique ni la vie quotidienne. Chacune a sa fiche : définition, conversion, instruments, règles d'écriture. En 36 langues.
La pression : les unités et leurs raisons
une grandeur, une dizaine d'échellesUnités de base du SI
kilogramme, mètre, secondeLangue de la fiche
36 langues. Le symbole atm est international, mais les échelles habituelles ne le sont pas : à la traduction, les tableaux sont adaptés à l'usage local.