L’humidité de l’air, les nuages et la précipitation
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L’HUMIDITÉ DE L’AIR, LES NUAGES ET LA PRÉCIPITATION 2011 Formation en météorologie Références principales : Malardel 2009, Fondamentaux de Météorologie, ch 9 Ahrens 2009, Meteorology Today, pp. 89-139
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L’HUMIDITÉ DE L’AIR, LES NUAGES ET LA
PRÉCIPITATION
2011 Formation en météorologie
Références principales : Malardel 2009, Fondamentaux de Météorologie, ch 9Ahrens 2009, Meteorology Today, pp. 89-139
L’eau l’extraordinaire La seule substance sur la Terre présente dans ses trois
phases à l’état naturel : solide (glace), liquide (eau), et gazeuse (vapeur d’eau)
La molécule d’eau possède un dipôle électrique permanent, créant des liaisons hydrogène entre les molécules
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L’eau l’extraordinaire Les liens hydrogène aident les molécules d’eau à «se
tenir» ensemble plus facilement, ce qui confère à l’eau un nombre de propriétés tout à fait uniques :
Ils permettent à la molécule d’exister à l’état liquide aux températures et pressions communément rencontrées dans l’atmosphère
Il faut beaucoup d’énergie pour changer la température de l’eau (on dit qu’elle possède une grande capacité calorifique). ○ Beaucoup de chaleur peut être stockée dans l’eau liquide
(les océans)
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L’eau l’extraordinaire Les énergies impliquées dans les changements de phase sont très
élevées :○ 2,5 millions de joules pour évaporer 1 petit litre d’eau
L’eau possède une grande tension de surface (effets de capillarité)
La phase solide de l’eau – la glace – flotte !
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La molécule d’eau et ses trois phases
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La glace flotte !
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Évaporation, condensation et saturation
En phase liquide, les mouvements des molécules individuelles sont assez faibles pour que les liaisons hydrogène forcent les molécules à « coller » entre elles, mais assez forts pour que la masse d’eau reste « mouvante » et non cristallisée comme la glace.
En phase gazeuse, les liaisons hydrogènes sont inexistantes et les molécules se déplacent librement
À la surface d’un volume d’eau liquide, il y a toujours une fraction des molécules en phase liquide qui, au fil des collisions avec leurs voisines, acquièrent une énergie suffisante, et dans la bonne direction, pour échapper à l’attraction des liaisons hydrogène et passer à la phase gazeuse. C’est l’évaporation
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Évaporation, condensation et saturation
De la même manière, il existe toujours une fraction des molécules dans la phase gazeuse possédant une faible énergie qui « plonge » dans la phase liquide, devenant emprisonnée par les liaisons hydrogènes des molécules « liquides ». C’est la condensation
Dans un contenant fermé, les taux d’évaporation et de condensation arrivent éventuellement à l’équilibre : c’est la saturation. Cet équilibre est fonction uniquement de la température
Aux pressions et températures communes, la vapeur d’eau et l’eau liquide coexistent donc parfaitement bien et, à la saturation, la vapeur d’eau a atteint sa pression saturante.
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Évaporation et condensation
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Comment s’exprime la vapeur d’eau dans l’air Humidité absolue (kg/m3) (densité de la vapeur d’eau – non
utile car sa valeur change avec le volume pour une même masse de vapeur)
Pression partielle de vapeur d’eau (hPa) Humidité spécifique (g/kg)
Masse de vapeur d’eau par masse d’air totale Humidité relative (%)
Taux d’humidité de l’air (masse de vapeur d’eau dans l’air/ masse de vapeur s’il était en équilibre avec l’eau liquide)
Point de rosée (°C) Température à laquelle une parcelle d’air humide doit être refroidie
pour atteindre la saturation de sa vapeur d’eau – c’est la température à laquelle on forme du brouillard ou du nuage
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Humidité absolue
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Humidité spécifique
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La pression partielle et de saturation
• La pression atmosphérique est la force par unité de surface exercée par le poids de l'air au-dessus de la surface.
• La pression partielle est la pression qu’exerce une seule espèce gazeuse du mélange air atmosphérique. Sachant que l’air est composé d’oxygène (~21%) et d’azote
(~78%), on sait qu’à la pression standard, soit environ 1013 hPa, la répartition des pressions partielles est :
Dans les premiers 100 km de l'atmosphère terrestre, les pressions partielles de l’azote et de l’oxygène dépendent uniquement de la pression totale.
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AZOTE (N2)~ 790 hPa
OXYGÈNE (O2)~ 213 hPa
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La pression partielle et de saturation
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• La pression partielle de la vapeur d'eau varie dans le temps et dans l'espace en relation avec les conditions météorologiques.
• La pression de saturation de la vapeur d'eau, es, dépend uniquement de la température et est atteinte lorsque les taux d’évaporation et de condensation sont égaux
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Discussion
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L’air est un fluide compressible, c’est-à-dire qu’il est formé de molécules qui sont éloignées les une des autres. À pression constante, l’espace entre les molécules est plus grand lorsque la température est élevée que lorsque la température est basse.
En raison du plus grand espace entre les molécules d’air, plus la température est élevée, plus l’air peut contenir de vapeur d’eau, et ce, jusqu'à ce qu’il atteigne sa quantité de vapeur maximale.
… quand l’air chaud et humide se refroidit, il atteint une température à laquelle il ne peut plus retenir la quantité de vapeur d’eau qu’il contient. La vapeur d’eau se condense alors et l’air expulse sont surplus d’eau sous forme de microgouttelettes (ou de cristaux qui se déposent …)
vrai
faux
faux
Synergie, pages 247 et 248
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Les changements de phase
CHALEUR ABSORBÉE (transformation endothermique)
CHALEUR DEGAGÉE (transformation exothermique)
Solide
LiquideVapeur
Solidification
Fusion
Déposition
Les changements de phase dans l’atmosphère sont la base des phénomènes météorologiques tels que la formation de nuages, de brouillard et de précipitation.
Condensation
Évaporation
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Mesures de l’humidité dans l’air
LA QUANTITÉ DE VAPEUR D’EAU DANS L’AIR
LE NIVEAU DE SATURATION DE L’AIR
Le point de rosée = la température à laquelle l’air est refroidi sans changer la quantité de vapeur d’eau dans l’air pour atteindre une humidité relative de 100 % (saturation)
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L’humidité spécifique = masse de vapeur d’eau masse totale de l’air
L’humidité relative = pression partielle de vapeur pression de vapeur saturante
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La pression de vapeur
Vapeur d’eauAzote
Oxygène
Parcelle d’air
QU’EST-CE QU’UNE PARCELLE OU PARTICULE D’AIR
QU’EST-CE QUE LA PRESSION PARTIELLE DE
VAPEUR ?
QU’EST-CE LA PRESSION DE VAPEUR SATURANTE ?
Pression totale = pression due à l’azote + pression due à l’oxygène + pression due à la vapeur d’eau
La pression à laquelle l’eau ou la glace est en équilibre avec la vapeur d’eau dans un volume donné.
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La pression de vapeur: suiteY A-T-IL UNE DIFFÉRENCE ENTRE LA PRESSION DE VAPEUR SATURANTE
PAR RAPPORT À L’EAU ET À LA GLACE ?
Vapeur d’eau
Eau liquideGlace
Autres…
1er RAPPEL: Parcelle d’air
Liquide Glace
Température = -15°C2ième RAPPEL: Changement de phase
Sublimation = solide vapeur
Évaporation= liquide vapeurSCA-2611 Introduction à la météorologie
Qu'est-ce qu'un nuage?
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Qu’est-ce qu’un nuage?
• Les gouttelettes et les cristaux ont une taille typique de 0,01 mm et sont si légers qu’ils demeurent en suspension dans l’air (par les molécules d’air elles-mêmes !)
• Les nuages stockent l’eau dans l’atmosphère, produisent la précipitation et sont d’une importance capitale dans la régulation du climat.
• Les nuages réfléchissent la majeure partie des rayons solaires incidents et provoquent un climat beaucoup plus frais qu’en leur absence (environ 15°C)
• Un nuage est un amas de gouttelettes d’eau et de cristaux de glace en très grande concentration (environ de 100 à 500 par cm3)
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Les nuagesLe degré d’humidité dans l’air influence la formation
de nuages.
L’état de l’atmosphère dans lequel les nuages se forment influence sa forme
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Mouvement de l’air
• l’air se refroidit en montant dans l’atmosphère• l’humidité relative augmente• lorsque l’humidité relative est proche de 100% des gouttelettes d’eau se forment en se condensant sur des impuretés et …• un nuage est formé!
• Quels sont les mécanismes qui forcent l’air à monter pour ainsi former des nuages ?
Parcelle d’air
Volume augmente
et se refroidit
Volume diminue et
se réchauffe
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La formation de nuages
LA CONVECTIONLA RENCONTRE DE
2 MASSES D’AIR LA TOPOGRAPHIE
• La surface de la terre est réchauffée par le soleil.• L’air chaud monte et se refroidit en montant.
• La rencontre de différentes masses d’air force l’air à se déplacer verticalement.• L’air monte et se refroidit en montant.
• La relief de la terre force l’air à monter.• L’air se refroidit en montant.
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La formation de précipitation3 MÉCANISMES :• condensation• collisions et coalescence• formation de cristaux de glace
Tem
péra
ture
dim
inue
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Condensation
Pour une gouttelette d’eau pure, l’air doit être supersaturé afin d’atteindre un équilibre évaporation/condensation.
Par contre, lorsque la gouttelette est formée sur d’impuretés, elle atteint son équilibre à une humidité relative beaucoup plus basse.
Goutte d’eau pure
évaporation = condensation
évaporation = condensation
Solution
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Collisions et coalescence
Grosse gouttelette de
nuage
Grosse gouttelette de nuage capture les petites sur son passage
Petites gouttelettes de
nuage
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Les cristaux de glace : processus de Bergeron
Dans les nuages plus froids, les cristaux de glace sont formés :
1) par le gèl instantané d’une goutte d’eau.
2) par le dépôt de vapeur d’eau sur une impureté.
La pression de vapeur saturée est plus faible pour la glace que pour l’eau. Ceci produit un flux de vapeur de la goutte d’eau à la glace et réduit la pression de vapeur par rapport à l’eau.
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Coexistence liquide glace à T < 0°C L’effet de Bergeron
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Les autres mécanismesLes cristaux de glace
croissent en capturant des gouttelettes de nuage…
… ils peuvent aussi se briser en morceaux…
… et capturer d’autres cristaux de
glace sur leur passage.
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