2011 Formation en météorologie Références principales Malardel 2009 Fondamentaux de Météorologie ch 9 Ahrens 2009 Meteorology Today pp 89139 Leau lextraordinaire ID: 295629
Download Presentation The PPT/PDF document "L’humidité de l’air, les nuages et ..." is the property of its rightful owner. Permission is granted to download and print the materials on this web site for personal, non-commercial use only, and to display it on your personal computer provided you do not modify the materials and that you retain all copyright notices contained in the materials. By downloading content from our website, you accept the terms of this agreement.
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