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L’humidité de l’air, les nuages et la précipitation - PPT Presentation

2011 Formation en météorologie Références principales Malardel 2009 Fondamentaux de Météorologie ch 9 Ahrens 2009 Meteorology Today pp 89139 Leau lextraordinaire ID: 295629

air eau les vapeur eau air vapeur les orologie est sca 2611 introduction pression dans une humidit

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Presentation Transcript

Slide1

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. 89-139Slide2

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

SCA-2611 Introduction à la météorologie

2Slide3

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’atmosphèreIl 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)SCA-2611 Introduction à la météorologie3Slide4

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 ! SCA-2611 Introduction à la météorologie4Slide5

La molécule d’eau et ses trois phases

SCA-2611 Introduction à la météorologie

La glace

flotte !

5Slide6

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’évaporationSCA-2611 Introduction à la météorologie6Slide7

Évaporation, condensation et saturation

De la m

ême 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 températureAux 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.SCA-2611 Introduction à la météorologie

7Slide8

Évaporation et condensation

SCA-2611 Introduction à la météorologie

8Slide9

Comment s’exprime la vapeur d’eau dans l’air

Humidité absolue (kg/m

3

)

(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 totaleHumidité 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

SCA-2611 Introduction à la météorologie

9Slide10

Humidité absolue

SCA-2611 Introduction à la météorologie

10Slide11

Humidité spécifique

11

SCA-2611 Introduction à la météorologieSlide12

12

SCA-2611 Introduction à la météorologieSlide13

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.

SCA-2611 Introduction à la météorologie

AZOTE (N

2

)

~ 790

hPa

OXYGÈNE (O

2

)

~ 213

hPa

13Slide14

La pression partielle et de saturation

SCA-2611 Introduction à la météorologie

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 égaux14Slide15

Discussion

15

SCA-2611 Introduction à la météorologie

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 248Slide16

16

Les changements de phase

CHALEUR ABSORBÉE

(transformation endothermique)

CHALEUR

DEGAGÉE

(transformation exothermique)

Solide

Liquide

Vapeur

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

SCA-2611 Introduction à la météorologieSlide17

17

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)

SCA-2611 Introduction à la météorologie

L’humidité

spécifique

=

masse de vapeur d’eau

masse

totale de l’air

L’humidité

relative =

pression partielle de

vapeur

pression

de vapeur

saturanteSlide18

18

La pression de vapeur

Vapeur d’eau

Azote

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.

SCA-2611 Introduction à la météorologieSlide19

19

La pression de vapeur: suite

Y A-T-IL UNE DIFFÉRENCE

ENTRE LA PRESSION DE

VAPEUR SATURANTE PAR RAPPORT

À L’EAU ET

À LA GLACE ?

Vapeur d’eau

Eau liquide

Glace

Autres…

1

er

RAPPEL: Parcelle d’air

Liquide

Glace

Température = -15°C

2

ième

RAPPEL: Changement de phase

Sublimation = solide vapeur

Évaporation= liquide vapeur

SCA-2611 Introduction à la météorologieSlide20

Qu'est-ce qu'un nuage?

20

SCA-2611 Introduction à la météorologieSlide21

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-m

êmes !)

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)21SCA-2611 Introduction à la météorologieSlide22

22

Les nuages

Le 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

SCA-2611 Introduction à la météorologieSlide23

23

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

SCA-2611 Introduction à la météorologieSlide24

24

La formation de nuages

LA CONVECTION

LA 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.

SCA-2611 Introduction à la météorologieSlide25

25

La formation de précipitation

3 MÉCANISMES :

condensation

collisions et coalescence

formation de cristaux de glace

Température diminue

SCA-2611 Introduction à la météorologieSlide26

26

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

SCA-2611 Introduction à la météorologieSlide27

27

Collisions et coalescence

Grosse gouttelette de nuage

Grosse gouttelette de nuage capture les petites sur son passage

Petites gouttelettes de nuage

SCA-2611 Introduction à la météorologieSlide28

28

Les cristaux de glace : processus de Bergeron

Dans les nuages plus froids, les cristaux de glace sont formés

:

par le

gèl

instantané d’une goutte d’eau.

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.

SCA-2611 Introduction à la météorologieSlide29

Coexistence liquide glace à T < 0°C L’effet de Bergeron

29

SCA-2611 Introduction à la météorologieSlide30

Les autres mécanismes

Les 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.

SCA-2611 Introduction à la météorologie

30Slide31

31

Le brouillard

LA FORMATION DU BROUILLARD

Le brouillard est formé de petites gouttelettes d’eau.

Se produit lorsque l’humidité relative s’approche de 100 % -favorable pour la formation de gouttelettes d’eau par condensation.

Un humidité relative de 100% est atteinte de différentes façons.

Par exemple:

L’air peut se refroidir de plusieurs façons en gardant sa quantité d’humidité presque constante.

RADIATION

: Lorsque l’air se refroidit durant la nuit.

AUTRES EXEMPLES?

SCA-2611 Introduction à la météorologie