Enaéronautique, l'altitude est la distance entre un point et le niveau de la mer, basée sur unepression atmosphérique donnée (QNH). Pour désigner un point entre un point et le sol, on parlera alors dehauteur Elle est mesurée enpieds, sauf dans les pays de l'ex-Union soviétique et enChine, où elle est exprimée enmètres.
Les principales distances verticales (hauteur, altitude et élévation) par rapport au niveau 0, c'est-à-dire le niveau moyen de la mer.Histogramme (rétro-cumulé) d'élévation de la Terre, dit encore courbe hypsométrique terrestre.
Le vocable d'altitude estpolysémique et, du fait de son histoire, associé à un vaste ensemble de notions[1]. Le mot désigne à l'origine la distance par l'élévation et la hauteur, la grandeur dans ses diverses acceptions et la profondeur maritime[2],[3] entre deux éléments de surface (points, ligne, plan) dans l'espace euclidien[4],[5].
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L'évolution des mathématiques s'est traduit dans l'approche du calcul de l'altitude, passant parfois d'un espace euclidien (2D) à unespace cartésien[4] (3D), et en bénéficiant de nouvelles propriétés de l’espace euclidien[5].
L'altitude des reliefs et montagnes et celle des sommets les plus élevés a longtemps été mesurée de manière fantaisiste. Des sommets tels que lepic de Ténériffe, lemont Viso, leSaint-Gothard et leChimborazo ont successivement paru comme les plus élevés de la planète. AuXVIIe siècle, l'invention dubaromètre va permettre d'estimer progressivement l'altitude de manière plus réaliste[6]. En effet, la pression atmosphérique mesurée par le baromètre change avec l'altitude.
En Europe, deux Genevois, les frères Fatio de Duilier sont en 1685 les premiers à estimer de manière relativement correcte l'altitude dumont Blanc à 4 728 m. La différence par rapport à l'altitude exacte (4 806 m) est due à l'exagération de l'estimation de l'altitude duLéman et à la sous-estimation de celle du sommet du mont Blanc. Grâce à l'utilisation du baromètre, l'altitude du Mont-Blanc est ensuite précisée par les travaux deLoys de Cheseaux, des frères Jean-André et Guillaume-Antoine Deluc et d'Horace-Benedict de Saussure[6]. En 1770, les frères Deluc gravissent en particulier lemont Buet avec un baromètre pour en mesurer l'altitude. C'est aussi la raison pour laquelle Horace-Benedict de Saussure offre une récompense pour l'ascension du mont Blanc. Le, deuxChamoniards,Jacques Balmat et le docteurMichel Paccard, en passant par lesGrands Mulets, parviennent au sommet du mont Blanc. Le, accompagné de son valet de chambre et de dix-huitguides dont Balmat, Saussure se fait conduire à son tour au sommet, où il fait monter une tente avant de procéder au calcul de l'altitude avec son baromètre : il trouve comme altitude 2 450 toises, soit 4 775 mètres, au lieu des 4 806 actuels. En 1824, le savant Van Welden ne pouvait toutefois citer que quarante altitudes de sommets dans le Alpes. Grâce à latriangulation des Indes entreprise par les autorités britanniques à partir de 1802, l'altitude duDhaulagiri (8 187 m) en fait en 1808 le sommet connu le plus élevé au monde. En 1848, leKangchenjunga supplante le Dhaulagiri. En 1856, Andrew Scott Waugh,arpenteur général britannique desIndes orientales et successeur deGeorge Everest, établit l'altitude du picXV (8 840 m) duNépal qui devient officiellement le sommet le plus élevé au monde. En 1865, il prend officiellement le nom d'Everest.
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 desalpinistes ; 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 laréserve utile des sols et dutaux de saturation, qui peut exacerber le phénomène dedépérissement forestier)[7].
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 centrifugeω2r oùω est la vitesse de rotation de la Terre (soit360 degrés par jour) etr 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
Au repos, on observe à court terme unehyperventilation (augmentation de la ventilation), en réponse à l'activation des récepteurs chimiques de laveine jugulaire[8].
À plus long terme (à partir de trois semaines environ), on observe une augmentation importante du nombre deglobules rouges (hématocrite) permettant un transport de l’oxygène accru dans lesang. 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 ionscarbonate dans le sang[8]. Laconsommation maximale d'oxygène (également nommée VO2 max) baisse en fonction de l’altitude. Ainsi, auniveau de la mer, l’homme est à 100 % de ses possibilités, alors qu’à 4 806 m (sommet dumont Blanc), il ne peut en disposer que de 70 % et seulement 20 % à 8 848 m (sommet de l'Everest)[réf. nécessaire].
L'effet « augmentation de la quantité deglobules 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 m. Toutefois, cettepolyglobulie peut entraîner dans certains cas un excès deglobules rouges et la formation de caillots sanguins peut alors obstruer les veines et causer unethrombose veineuse profonde (phlébite) qui peut entraîner la mort. La concentration englobules rouges (hématocrite) du sang de certaines populations vivant à haute altitude (Andes) est naturellement plus élevée.
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[9],[10].
Les habitants dePotosí en Bolivie andine vivent à environ 4 040 m. Leur organisme s'est adapté[9] 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 dumal aigu des montagnes : maux de tête, nausées, œdèmes, etc.
Un séjour à une altitude très élevée peut induire des affections directement liées au manque d'oxygène. À court terme, lemal aigu des montagnes se caractérise par divers symptômes de nature et de gravité variées, allant de lacéphalée à des affections potentiellement mortelles comme l'œdème pulmonaire oucérébral. Ces œdèmes sont liés à la rétention d'eau provoquée par les modifications de la diurèse[8].
Les populations vivant en permanence à des altitudes supérieures à 3 000 mètres, comme les populations des hautes terres de lacordillère des Andes, peuvent également être touchées par la maladie de Monge, oumal chronique des montagnes.
Des études laissent penser que les bébés présentent une susceptibilité particulière à l'altitude, pour certaines pathologies[17], et semble-t-il de manière variable selon leur origine ethnique. Ainsi, le risque de mortalité infantile et de mort subite du nourrisson augmentent avec la résidence en altitude : significativement au-dessus de 2 000 m par exemple aux États-Unis[18] ou en Argentine[19],[20] avec deux à trois fois plus de risque de mort subite quand le nourrisson est né d'une mère vivant au-delà de 2 400 m d'altitude selon une autre étude, basée sur une population de 393 216 nourrissons nés de 2007 à 2012 auColorado, peut-être en raison d'un risque accru d'hypoxie[21]. Inversement, le risque de mortalité par détresse respiratoire du nouveau-né diminue alors qu'il augmente en cas d'hémorragie intracrânienne non traumatique (avec des variations selon l'origine ethnique, après ajustement pour le poids de naissance moyen de l'État, l'âge gestationnel et l'inégalité des revenus…).« Des recherches épidémiologiques analytiques sont nécessaires pour confirmer ou réfuter les hypothèses générées par ces données descriptives » selon R.S Levine en 2018[18].
Des cures d'altitude — climatothérapie — sont aujourd'hui encore recommandées pour soulager temporairement certaines crises d'asthme[22],[23] surtout dans le cas d'asthmes d'origine allergénique[24]. Concernant la tuberculose les avis sont partagés[25] ; 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[26]. » Concernant lacoqueluche, on a pu également recommander non seulement des séjours en altitude[27] — peu documentés mais aussi des « vols coqueluche » (ou leur simulation en caisson hypobare).
À l'inverse, les personnes souffrant dedrépanocytose doivent éviter les hautes altitudes.
Lecalcul d'une altitude revient toujours à mesurer un écart vertical, undénivelé, 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 lemètre, sauf auxÉtats-Unis et enaéronautique où lepied est encore en usage.
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 desgéomètres à desnivellements 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 unrelief 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 laphotogrammétrie 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 desmodèles numériques de terrain (MNT)[note 1] sur l'ensemble de la planète avec, cependant, une précision de plusieurs centaines de mètres ou de plusieurs kilomètres.
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 letemps, selon les applications et lescultures.
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 laLune et leSoleil (phénomène demarée), qui n'est pas une surface équipotentielle (à cause entre autres des courants et de la variation de salinité), donc n'est pas assimilable augéoïde 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 lagéodésie 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, puisGPS,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[28]. En France métropolitaine, la hauteur ellipsoïdale est de l'ordre de cinquante mètres plus élevée que l'altitude géographique[29].
Le calcul de la hauteur de lagrande pyramide de Gizeh parÉratosthène est déjà une sorte de calcul d'altitude, entre le sommet du monument et le sol. La méthode utilisée, une application du fameuxThéorème 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.
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 lesballons-sondes.
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. Lessatellites 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'unellipsoïde de référence (IAG GRS80). Les écarts entregéoïde 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.
Enmétéorologie, les conditions en altitude (vent, température, etc.) sont fournies aux utilisateurs à des niveaux standard correspondant à une pression donnée (1 000, 850, 700,500hPa) utilise l'altitudegéopotentielle (une altitude proche de l'altitude géométrique, mais qui permet de considérer l'accélération de la pesanteur « g » constante, alors que celle-ci diminue avec l'altitude), pour simplifier les calculs de sesmodèles numériques deprévision.
Sur laLune, on mesure les altitudes dessommets relativement à une distance donnée à son centre. Dans les années 1990, la missionClementine a publié des valeurs basées sur le chiffre de 1 737 400 mètres.
↑a etbEdwardAndalafte et RaymondFreese, « Altitude properties and characterizations of inner product spaces »,Journal of Geometry,vol. 69,(DOI10.1007/BF01237469)
