Altitude Information

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L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau de base. C'est une des composantes géographique et biogéographique qui explique la répartition de la vie sur Terre.

L'altitude d'un point donné est donc sa distance à une surface de niveau de référence ; par convention, sur Terre cette surface de niveau est le plus souvent le niveau de la mer (ou « niveau zéro »). Les sommets sont associés à une altitude, calculée par divers moyens indirects ( géodésie, triangulation). L'altitude est également une donnée exogène utile pour le calcul numérique dans divers domaines : météorologie, physique, biologie.

En aéronautique, l'altitude est actuellement mesurée en pieds, sauf dans les pays de l'ex- Union soviétique et en Chine, où elle est exprimée en mètres.

Histogramme (rétro-cumulé) d'élévation de la Terre, dit encore courbe hypsométrique terrestre.

Effets de l'altitude

Certains champs physiques varient en fonction de l'altitude : diminution de la pression atmosphérique variation de la température et du couple thermohygrométrique, des rayonnements solaires notamment. Des réactions particulières des organismes face à ces nouvelles conditions sont visibles, particulièrement chez les végétaux, mais aussi chez les animaux ou les champignons et lichens.

Plutôt que d'effets de l'altitude, il conviendrait de parler de variations liées à l'élévation, car l'altitude est une donnée brute qui n'a aucune conséquence par elle-même. Il faut distinguer deux types d'effets :

  • les changements brutaux et ponctuels dus à l'élévation rapide ;
  • les adaptations de moyen et long termes des organismes en altitude.

Les premiers effets sont spectaculaires et bien connus des alpinistes ; les seconds sont plus discrets et affectent aussi bien les hommes que l' écosystème. En particulier, les sols d'altitude sont souvent plus pauvres, plus acides, moins épais (diminution de la réserve utile des sols et du taux de saturation, qui peut exacerber le phénomène de dépérissement forestier) [1].

Variations de champs physiques

Température

La variation de la température selon l'altitude dépend de l'endroit où l'on se situe dans l' atmosphère : troposphère, stratosphère, mésosphère ou encore la thermosphère.

Pression atmosphérique

Elle diminue avec l'altitude de manière exponentielle selon la formule du nivellement barométrique. Au niveau de la mer elle vaut 1 atmosphère (soit 760 mmHg soit 1013,25 mb) alors qu'à 1 000  m elle ne vaut plus que 89 859  Pa (674 mmHg), à 4 800  m 55 462  Pa (416 mmHg) et à 8 848  m 31 464  Pa (236 mmHg).

Intensité de la pesanteur

Celle-ci varie en fonction de la planète sur laquelle on se trouve et de l'altitude. Elle est inversement proportionnelle au carré de la distance par rapport au centre. Sur Terre sa valeur est 9,814  m s−2 au niveau de la mer, 9,811  m s−2 à 1 000  m et 9,802  m s−2 à 4 000  m.

Il s'agit là de l'attraction réelle de la pesanteur. Pour un corps immobile dans le repère terrestre (donc non sujet à l'accélération de Coriolis) la pesanteur apparente est égale à la précédente diminuée de l'accélération centrifuge ω2r où ω est la vitesse de rotation de la Terre (360 degrés par jour) et r la distance à l'axe des pôles. Cette accélération centrifuge est nulle aux pôles et vaut approximativement 0,034  m s−2 à l'équateur ; la pesanteur apparente n'y est donc plus que d'environ 9,780.

Adaptations physiologiques et réponses physiopathologiques du corps humain

La première description des effets de l'altitude est donnée par Platon, à l'occasion d'une ascension du mont Ossa [2].

Dans l'étude des effets physiologiques de l'altitude, trois zones sont prises en compte :

  • haute altitude : de 2 000 à 4 000  m ;
  • très haute altitude : de 4 000 à 6 000  m ;
  • altitude extrêmement élevée : au-delà de 6 000  m [2].

Réponse à court terme (quelques jours)

Chez l’homme les effets de l’altitude sont principalement dus à la diminution de la pression partielle en dioxygène dans l’air inspiré, et à la baisse de température. Une exposition brutale à une altitude 6 000  m entraîne la mort en 15 minutes [2].

Au repos, on observe à court terme une hyperventilation (augmentation de la ventilation), en réponse à l'activation des récepteurs chimiques de la veine jugulaire [2].

La diurèse (élimination d'une partie du volume plasmatique ( plasma sanguin) tend à augmenter la proportion de globules rouges dans le sang). Une exposition brusque à une altitude 4 000  m entraîne une réduction de 15 % de ce fluide, réduction qui persiste durant 4 semaines. L'acidose respiratoire résultante du fluide cérébrospinal bloque l'effet de l'hyperventilation [2]. Le volume total de l'eau dans l'organisme diminue de 10 %, à cause de la diminution de la consommation de liquides et au maintien du volume de l'élimination urinaire [2]. On note également des modifications des concentrations des ions sodium et magnésium [2].

L'exposition à la haute altitude provoque une tachycardie (augmentation de la fréquence cardiaque).

Réponses à long terme (plusieurs semaines)

À plus long terme (à partir de 3 semaines environ), on observe une augmentation importante du nombre de globules rouges ( hématocrite) permettant un transport de l’oxygène accru dans le sang. Ceci est la conséquence d'un pic d' EPO dans les premiers jours d'exposition à l' hypoxie d'altitude. On note également l'augmentation de la concentration des ions carbonate dans le sang [2]. La consommation maximale d'oxygène (également nommée VO2 max) baisse en fonction de l’altitude. Ainsi, au niveau de la mer, l’homme est à 100 % de ses possibilités, alors qu’à 4 809 mètres (sommet du mont Blanc), il ne peut en disposer que de 70 % et seulement 20 % à 8 848 mètres (sommet de l'Everest) [réf. nécessaire].

L'effet « augmentation de la quantité de globules rouges » est particulièrement recherché par certains sportifs, c'est la raison majeure de l'organisation de stage en altitude, parfois à plus de 3 000 mètres. Toutefois, cette polyglobulie peut entraîner dans certains cas un excès de globules rouges et la formation de caillots sanguins peut alors obstruer les veines et causer une thrombose veineuse profonde (phlébite) qui peut entraîner la mort. La concentration en globules rouges ( hématocrite) du sang de certaines populations vivant à haute altitude (Andes) est naturellement plus élevée.

Jusqu'à quelle altitude l'Homme peut-il vivre ?

La vie en altitude est rendue difficile par le froid, le manque d'eau et de nourriture, voire d'oxygène, un taux d'ultraviolets plus élevé, des effets sur le métabolisme humain et un environnement parfois plus dangereux [3], [4].

Les habitants de Potosí en Bolivie andine vivent à environ 4 040  m. Leur organisme s'est adapté [3] à ces conditions : leur sang est plus riche en globules rouges qui acheminent l'oxygène jusqu'aux organes. Par contre, pour les visiteurs l'altitude pose des problèmes. La pression de l'air et de l'oxygène diminuées, leur capacité physique se réduit de 30 à 40 % en dépit de l'accélération cardio-respiratoire. Il faut environ deux semaines d'adaptation. Entre-temps, le visiteur peut souffrir du mal aigu des montagnes : maux de tête, nausées, œdèmes, etc.

Les environnements de haute altitude (> 2 500  m) ont longtemps été considérés comme des zones de vie impropres à l'Homme préhistorique, en raison des contraintes climatiques et écologiques pesant sur ces environnements [5]. Pourtant les fouilles archéologiques montrent qu'il y a eu au moins quelques exceptions [6], [7] : des fouilles faites sur les hauts-plateaux éthiopiens ont mis en évidence une présence épisodiques de certains de nos ancêtres, notamment à Gadeb (2 400  m) il y a respectivement 1,5 à 0,7 million d'années et à Melka Kunture (2 400  m) il y a environ 1,5 million d'années (en plein âge de la pierre). Ces humains venaient probablement de la vallée du Grand Rift.

Les archéologues trouvent des traces similaires au Tibet et dans les Andes, notamment au Pléistocène (il y a plus de 11 700 ans lors de la dernière glaciation) [8], par exemple dans l' abri sous roche de Fincha Habera, à 3 469  m d'altitude, dans les monts de Bale, en Éthiopie il y a 31 000 à 47 000 ans, où l'on consommait notamment le rat géant Tachyoryctes macrocephalus.

Au Tibet, deux sites très élevés intriguent les archéologues et préhistoriens : Nywa Devu à 4 600  m d'altitude et la grotte Baishiya Karst à 3 280  m d'altitude qui semblent avoir été au moins provisoirement occupés il y a 30 000 à 40 000 ans [9], [10].

Des artefacts humains préhistoriques ont été trouvés jusqu'à plus de 3 000  m, dont ce qui semble avoir été des haches à main de style acheuléen encore imprécisément datées (500 000 à 200 000 ans avant nos jours) près de la caldeira du Dendi en Éthiopie [11].

Pathologies d'altitude

Le séjour à une altitude élevée est susceptible de provoquer des affections directement liées au manque d'oxygène. À court terme, le mal aigu des montagnes se caractérise par divers symptômes de nature et de gravité très variable, allant de la céphalée jusqu'à des affections potentiellement mortelles comme l' œdème aigu du poumon ou l' œdème cérébral. Ces œdèmes sont liés à la rétention d'eau provoquée par les modifications de la diurèse [2]. Certaines populations vivant en permanence à des altitudes supérieures à 3 000 mètres, comme les populations des hautes terres de la cordillère des Andes, peuvent également être touchées par la maladie de Monge, ou mal chronique des montagnes.

Cures d'altitude

Des cures d'altitude — climatothérapie — sont aujourd'hui encore recommandées pour soulager temporairement certaines crises d'asthme [12], [13] surtout dans le cas d'asthmes d'origine allergénique [14]. Concernant la tuberculose les avis sont partagés [15] ; en 2008 toutefois une étude turque trouvait une corrélation négative entre altitude et tuberculose : l'influence de l'altitude sur l'incidence de la tuberculose proviendrait « en partie de la valeur de la pression partielle en oxygène dans la mesure où de fortes pressions en oxygène sont nécessaires à la propagation de Mycobacterium tuberculosis [16]. » Concernant la coqueluche, on a pu également recommander non seulement des séjours en altitude [17] — peu documentés mais aussi des « vols coqueluche » (ou leur simulation en caisson hypobare).

À l'inverse, les personnes souffrant de drépanocytose doivent éviter les hautes altitudes.

Calcul de l'altitude

Le calcul d'une altitude revient toujours à mesurer un écart vertical, un dénivelé, entre un niveau de départ et le point dont on souhaite trouver l'élévation par rapport à ce niveau. L' unité de mesure utilisée est le mètre, sauf aux États-unis et en aéronautique où le pied est encore en usage.

Repère de nivellement IGN (Belgique)

Dans les pays dotés d'un institut de géographie national (souvent militaire à l'origine), comme c'est le cas en Belgique et en France, il fut procédé par des géomètres à des nivellements généraux par cheminements altimétriques. La précision d'ensemble de ces nivellements est de l'ordre du centimètre. La précision relative entre deux repères voisins est millimétrique.

Dans les régions où le cheminement est techniquement impossible (régions montagneuses ou avec un relief chaotique), les altitudes ont anciennement été déterminées en fonction de la gravité terrestre mais cette méthode est relativement difficile à mettre en œuvre et très peu précise compte tenu des variations de gravité provoquées par les masses montagneuses ou bien en fonction de la variation de pression atmosphérique (méthode principalement utilisée au siècle passé par les alpinistes pour déterminer les altitudes des pics montagneux).

Avec l'apparition de l'aviation, de nouvelles méthodes basées sur la photogrammétrie et les orthophotos-couples, ont vu le jour. Ces méthodes permettent de déterminer avec une précision de quelques mètres, les altitudes et ce, de façon indirecte, sans mesures sur le terrain.

Certains satellites fournissent également des modèles numériques de terrain (MNT) [18] sur l'ensemble de la planète avec, cependant, une précision de plusieurs centaines de mètres ou de plusieurs kilomètres.

Définitions de l'altitude

Il n'existe pas une définition unique et universelle du niveau de référence utilisé, et donc de l'altitude. La validité et la pertinence d'une définition de l'altitude sont ainsi dépendantes du domaine d'applications considéré. Des définitions purement géométriques (comme la hauteur ellipsoïdale) peuvent être pertinentes dans des applications spatiales, mais se révéler inutilisables ou très peu pratiques pour la planification d'un chantier au sol. Des définitions peuvent être valables localement mais inconsistantes globalement.

Toute définition de l'altitude passe par le choix d'un niveau de référence. Ce choix varie dans l' espace et dans le temps, selon les applications et les cultures.

Il était d'usage de considérer comme niveau de référence le niveau des mers, dont la surface est difficile à mettre en équation : c'est une surface qui bouge en fonction d'éléments astronomiques comme la Lune et le Soleil (phénomène de marée), qui n'est pas une surface équipotentielle (à cause entre autres des courants et de la variation de salinité), donc n'est pas assimilable au géoïde terrestre, et qui de toute façon n'existe pas à la verticale d'un lieu terrestre donné.

La méthode ancienne, qui consistait à cheminer entre le niveau moyen de la mer et un lieu donné en mesurant à chaque fois la différence de niveau dh, est mathématiquement problématique, parce que le résultat dépend du chemin suivi, en d'autres termes ∫ dh n'est pas une intégrale parfaite. En revanche, l'énergie à dépenser pour aller d'un point à un autre, qui est ∫ g dh, g étant la gravité en chaque point, ne dépend pas du chemin suivi. L'altitude était alors calculée en mesurant régulièrement g, et en divisant la valeur obtenue par un g0 moyen, le choix de ce g0 conditionnant bien sûr le résultat [réf. nécessaire].

En , l'avènement de l'ère spatiale a donné naissance à la géodésie spatiale, avec des satellites équipés de réflecteurs laser puis d'horloges ultra-stables (permettant des mesures très précises de temps de trajet ou de décalages Doppler). L'arrivée de systèmes spatiaux opérationnels (Transit, puis GPS, DORIS et, dans l'avenir, Galileo), ont contribué à généraliser une définition de l'altitude liée aux référentiels géodésiques utilisés par ces systèmes : l'altitude fournie nativement par les récepteurs GNSS (GPS, Galileo, Glonass) est la hauteur ellipsoïdale, dont le niveau de référence est défini par un ellipsoïde (approximation de la forme effective de la Terre) propre à chaque référentiel (typiquement WGS84 ; les différences entre les systèmes géodésiques modernes de référence sont négligeables pour les applications courantes). La hauteur ellipsoïdale diffère de l'altitude géographique du fait de l'écart entre l'ellipsoïde considéré et la forme réelle du géoïde [19]. En France métropolitaine, la hauteur ellipsoïdale est de l'ordre de 50 mètres plus élevée que l'altitude géographique [20].

Méthodes pratiques

  • Le calcul de la hauteur de la grande pyramide de Gizeh par Ératosthène est déjà une sorte de calcul d'altitude, entre le sommet du monument et le sol. La méthode utilisée, une application du fameux Théorème de Thalès, a été reprise pour le calcul de l'altitude de sommets dégagés. La marge d'erreur associée est assez importante.
  • Une méthode utilisée sur le terrain et qui ne nécessite pas d'outil fait intervenir la visée par approximation. En région montagneuse, on peut estimer qu'un sapin adulte est haut de trente mètres en moyenne. Par superposition, on peut estimer une altitude ou un écart avec une marge d'erreur moyenne, souvent acceptable.
  • En utilisant une carte géographique et une boussole graduée, la méthode de la triangulation permet de connaître l'altitude d'un point proche.
  • L' altimètre est un instrument qui mesure l'altitude en se basant sur la relation entre l'élévation et la pression atmosphérique. Cette relation n'est pas linéaire, et subit des variations non négligeables dues à l'évolution des masses d'air pendant la prise d'altitude par le marcheur qui utilise l'altimètre. C'est donc un moyen de mesure moins fiable qu'il n'y paraît : il faut veiller à étalonner aussi souvent que possible l'altimètre aux points dont l'altitude est connue. Les altimètres sont utilisés dans les ballons-sondes.

Méthodes modernes

Les mesures d'altitude par les instruments modernes sont d'une précision bien supérieure à ce qu'il est possible de faire à l'œil ou au compas. Les satellites sont mis à profit pour calculer et mettre à jour les « hauteurs » des points de la planète, sommets ou non. À la différence des méthodes terrestres qui utilisent un référentiel dynamique tenant compte des variations locales du champ de pesanteur (le géoïde) et donnent par là même de véritables « altitudes », les satellites fournissent une hauteur à partir d'un ellipsoïde de référence (IAG GRS80). Les écarts entre géoïde et ellipsoïde sont variables selon le lieu et peuvent atteindre la centaine de mètres. Des modèles de géoïde peuvent cependant être intégrés dans un programme de calcul qui permet alors de retrouver les altitudes à partir des mesures satellitaires. La précision dépend alors en grande partie de la finesse du modèle.

Autres planètes ou satellites

Lune

Sur la Lune, on mesure les altitudes des sommets relativement à une distance donnée à son centre. Dans les années 1990, la mission Clementine a publié des valeurs basées sur le chiffre de 1 737 400 mètres.

Mars

Sur Mars, en l'absence d'océan, l'origine des altitudes a été fixée de façon arbitraire : c'est l'altitude ayant une pression atmosphérique moyenne de 610 pascals. Cette pression a été choisie parce qu'elle est proche de la pression du point triple de l'eau [réf. nécessaire] (273,16 K et 611,73 Pa), et que le niveau ainsi défini est proche du niveau moyen de la surface martienne (sur Terre, c'est la pression atmosphérique à 35  km d'altitude).

Notes et références

  1. Relation between ecological conditions and fir decline in a sandstone region of the Vosges mountains (northeastern France) (PDF) par Anne-Laure Thomas et al. (Ann. For. Sci. 59 (2002) 265-273 DOI:10.1051/forest:2002022)
  2. a b c d e f g h et i D.R. Davies, R.T.S. Martinson, H.P. Masson, L. Richard, W. Hildebrandt, J R Army Med Corps, no 157, 2015, pages 23-29.
  3. a et b (en) C. Beal, « Adaptation to altitude: a current assessment », Annual Review of Anthropology, no 30, 2001, pages 423–456.
  4. (de) F. Berghold, W. Schaffert, Handbuch der Trecking- und Expeditionsmedizin, Munich, DAV, 2009.
  5. (en) M. Aldenderfer, « Altitude environments in archaeology », in C. Smith (Ed.), Encyclopedia of global archaeology, pages 163–168, New York, Springer, 2014 DOI: 10.1007/978-1-4419-0465-2_2012.
  6. (en) X. L. Zhang et al., Science, vol. 362 no 1049, 2018.
  7. (en) F. Chen et al., Nature, vol. 569, no 409, 2019.
  8. (en) G. Ossendorf, A. R. Groos, T. Bromm, M. G. Tekelemariam, B. Glaser, J. Lesur, ... et S. Demissew, « Middle Stone Age foragers resided in high elevations of the glaciated Bale Mountains, Ethiopia », Science, vol. 365, no 6453, 2019, pages 583-587, résumé
  9. (en) X. L. Zhang, B. B. Ha, S. J. Wang, Z. J. Chen, J. Y. Ge, H. Long, ... et X. Y. Zhou, « The earliest human occupation of the high-altitude Tibetan Plateau 40 thousand to 30 thousand years ago », Science, vol. 362, no 6418, 2018, pages 1049-1051, résumé
  10. (en) F. Chen, F. Welker, C. C. Shen, S. E. Bailey, I. Bergmann, S. Davis, ... et T. L. Yu, «  A late Middle Pleistocene Denisovan mandible from the Tibetan Plateau », Nature, vol. 569, no 7756, 2019, page 409.
  11. (en) R. Vogelsang, O. Bubenzer, M. Kehl, S. Meyer, J. Richter, B. Zinaye, «  When Hominins Conquered Highlands—an Acheulean Site at 3000 m asl on Mount Dendi/Ethiopia », Journal of Paleolithic Archaeology, vol. 1, no 4, 2018, pages 302-313.
  12. Guy Dutau, Guide pratique de l'asthme de l'enfant, MMI éditions, 2002 ( ISBN  2-84650-020-7), page 205, lire en ligne
  13. Michel Odièvre, Pédiatrie, Volume 1, éditions Doin, coll. « Inter-Med » ( ISBN  2-7040-1047-1), page 226, lire en ligne
  14. J.-C. Bessot, Climatothérapie dans l'asthme : étude critique, Revue Française d'Allergologie et d'Immunologie Clinique, Volume 37, Issue 8, 1997, pages 1123-1134
  15. Pierre Guillaume, « Tuberculose et montagne - Naissance d'un mythe », Vingtième Siècle - Revue d'histoire, vol. 30, no 30, 1991, pages 32-39, lire en ligne
  16. Médecine : l'altitude décroît l'incidence de la tuberculose
  17. Marc Boyer, Histoire générale du tourisme du XVIe au XXIe siècle, L'Harmattan, 2005 ( ISBN  2-7475-8432-1), page 223, lire en ligne
  18. Le MNT mondial le plus connu est celui provenant de missions menées par la navette spatiale : le Shuttle Radar Topography Mission.
  19. IGN, « "Coordonnées (pdf)" » (consulté le 27 novembre 2018).
  20. IGN, « "Cartes correction altitudes" » (consulté le 27 novembre 2018).

Voir aussi

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Articles connexes

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