Glossaire

échelle macroscopique

L'échelle macroscopique englobe toutes les notions physiques — grandeurs, éléments constituants, mouvements, phénomènes — dont la manifestation est observable à l'œil nu, soit directement, soit par l'intermédiaire d'un instrument d'observation ou de mesure, mais sans utilisation d'un appareil qui serait destiné à accroître l'ordre de grandeur du domaine spatial où se manifeste la notion observée (par exemple, sans utilisation d'un microscope). Les notions physiques concernées peuvent donc être visibles par elles-mêmes, tels les grêlons ou les nuages, ou bien sensibles à d'autres sens que la vue, mais observables sur un instrument sans agrandissement du domaine d'observation, tels le vent ou la température.

En fait, les grandeurs, éléments, mouvements, phénomènes observés à l'échelle macroscopique constituent la résultante des événements qui se produisent dans la matière — solide, liquide ou gazeuse — au niveau de l'échelle microscopique. À cet autre niveau, les échanges de masse, d'énergie et de mouvement auxquels sont sujettes les particules matérielles, leurs interactions incessantes aussi avec d'autres particules élémentaires telles que les photons des rayonnements électromagnétiques, présentent un caractère discontinu et aléatoire dont seule une intégration statistique à une échelle beaucoup plus importante dans le temps comme dans l'espace peut tenter d'extraire certaines lois susceptibles d'énoncer, entre autres, les fondements de la thermodynamique.

Les grandeurs utilisées pour qualifier les notions descriptives de l'échelle macroscopique sont alors de deux types : les unes, à chaque instant, dépendent du volume ou de la quantité de matière et sont appelées des grandeurs extensives, comme la masse ou comme toute énergie de nature donnée ; les autres, comme la vitesse ou la température, sont des grandeurs intensives , associées à tout instant à chaque point de l'espace. Les grandeurs extensives sont additives et donc mesurables, alors que les grandeurs intensives ne sont que repérables.

En météorologie, l'élément constituant de l'atmosphère à l'échelle macroscopique est la parcelle d'air, conglomérat d'un grand nombre de particules microscopiques caractérisé à un instant donné par son état moyen ; chaque parcelle se comporte ainsi comme un système thermodynamique auquel on peut appliquer les grandes lois de la physique, par exemple l'équation d'état des gaz parfaits. Or, il existe en physique une grandeur extensive, l'entropie — nulle à température absolue nulle — , qui permet d'évaluer à l'échelle macroscopique le degré de désordre d'un système constitué d'un très grand nombre de particules microscopiques ; la valeur de cette grandeur représente en quelque sorte une mesure du nombre (très grand) de situations possibles à l'échelle microscopique qui conduisent à un même état macroscopique du système : elle est ainsi le "témoin" macroscopique de l'agitation des particules au niveau microscopique. Comme cette agitation est elle-même à l'origine de la température mesurée, entropie et température absolue sont liées : en fait, leur produit définit, à une constante près, l'énergie thermique du système ; dans un système évoluant sans perdre ni gagner de chaleur, donc de façon adiabatique, comme l'est une parcelle d'air à l'échelle aérologique, l'entropie reste alors constante et peut être reliée uniquement à la température prise par le système à une pression atmosphérique de référence, que l'on choisit égale à 1 000 hPa : la température correspondante est la température potentielle. Ainsi, en météorologie, la plus ou moins grande température potentielle d'une parcelle d'air est la traduction à l'échelle macroscopique de l'état de plus ou moins grand désordre moléculaire qui y règne à l'échelle microscopique.