Les règles physiques 1 L`instabilité 3 L`évolution thermique verticale

Les règles physiques
1
L’évolution thermique verticale
2
L’instabilité
3
Conclusion
4
Exercices
5
Les
règles
physiques
L’évolu(on
thermique
ver(cale
L’instabilité
Conclusion
Exercices
Les mouvements de l’air…
- le mouvement de l’air et de l’eau est déterminée par des règles simples édictées
depuis plus de 3 siècles. Le mouvement d’un corps dépend des forces qui s’exercent
sur lui (force se définit par la direction dans laquelle elle s’exerce + son intensité).
La première loi de Newton sur le mouvement:
« tout corps reste au repos ou continue son mouvement en ligne droite tant qu’une force
ne vient pas modifier cet état de fait »
- au sein du système climatique, un état immobile correspond non pas à l’absence de
force mais à un équilibre entre plusieurs forces dont l’intensité nette est nulle et les
directions opposées
- les mouvement verticaux de l’air:
- soit l’air est obligé de monter mécaniquement en altitude (obstacle,
convergence des vents dans les basses couches): c’est la convection forcée
- soit l’air monte (ou descend) sous l’effet des différences de densité: c’est la
convection libre
Les
règles
physiques
L’évolu(on
thermique
ver(cale
L’instabilité
Conclusion
Exercices
- les mouvements verticaux sont en moyenne très lents ( < 1m/s avec un maximum
vers 10-15 m/s dans les cumulo-nimbus)
- cette faible intensité est due à l’équilibre hydrostatique (équilibre entre deux forces);
il y a une force qui s’exerce vers le bas (force de gravité) et une force qui s’exerce
vers le haut (force de pression) depuis les HP de surface vers les BP d’altitude =
l’équilibre qui résulte de l’application de ses deux forces s’appelle l’équilibre
hydrostatique et détermine la répartition de la pression atmosphérique et est
directement à l’origine de l’évolution de la température
force de gravité
équilibre hydrostatique
force de pression
Les
règles
physiques
L’évolu3on
thermique
ver3cale
L’instabilité
Conclusion
Exercices
La décroissance thermique verticale dans la troposphère…
- la température diminue avec l’altitude pour deux raisons:
- l’atmosphère est surtout chauffée par le bas (RT + chaleur sensible/latente depuis
la surface
- la pression diminue avec l’altitude
- soit un volume d’air (Vo) à une température (To); la pression (Po) s’exerce sur lui :
- si la pression diminue, le volume occupé par le gaz augmente
(les chocs moléculaires sont moins intenses) et la température
– reflet de l’agitation moléculaire – diminue aussi = la dilation
d’un gaz entraîne donc une baisse de la température
- à l’inverse, la compression d’un gaz le réchauffe car on
augmente la pression, donc le volume d’air décroît et la
température augmente
Les
règles
physiques
L’évolu3on
thermique
ver3cale
L’instabilité
Conclusion
Exercices
Les adiabatiques…
- la décroissance de la température avec l’altitude est égale à 1°C par 100m de
déplacement vertical = ce gradient s’appelle l’adiabatique sèche (A)
- si l’air contient des molécules d’eau et que la saturation est atteinte lors de
l’ascendance = libération de chaleur latente au moment de la condensation =
limitation du refroidissement. L’évolution de la T° dans de l’air saturé est appelée la
pseudo-adiabatique saturée (PAS) et varie entre 0.4 et 0.8°C par 100m
diminution > 0.4 et < 0.8 °C / 100m
Z
diminution = 1°C / 100m
température
Les
règles
physiques
L’évolu3on
thermique
ver3cale
L’instabilité
Conclusion
Exercices
Un exemple de convection…
- stratification thermique stable avec apparition d‘une anomalie positive dans les
basses couches = convection libre
Les
règles
physiques
L’évolu3on
thermique
ver3cale
L’instabilité
Conclusion
Exercices
Les différentes couches thermiques de la troposphère…
Z (km)
stratosphère
10
inversion stratosphérique
tropopause
baisse
moyenne
de
la
T°
avec
l’al(tude
troposphère
5
couche d’inversion
couche isotherme
couche d’inversion
0
T°
Les
règles
physiques
L’évolu(on
thermique
ver(cale
L’instabilité
Conclusion
Exercices
- en moyenne la troposphère est stable, mais l’équilibre peut être rompue et de
petits volumes d’air peuvent subir des mouvements verticaux = c’est l’instabilité
(qui peut être à l’origine des formations nuageuses cumuléïformes)
Z
détente
adiaba(que:
aucun
échange
de
chaleur
avec
l’extérieur
température
Les
règles
physiques
L’évolu(on
thermique
ver(cale
L’instabilité
Conclusion
Exercices
L’émagramme simplifié…
- l’émagramme est un diagramme utilisé en météorologie permettant de connaître l’état
de stabilité d’une colonne d’air. Visualisons 3 cas théoriques:
Z
courbe d’état
Z
température
td
ts
t
Les
règles
physiques
L’évolu(on
thermique
ver(cale
L’instabilité
Conclusion
Exercices
‐ la
courbe
d’état
est
à
droite
de
la
pseudo‐
adiaba3que
saturée:
‐
dans
ce
cas
la
T°
diminue
lentement
‐
donc
t
(T°
de
l’environnement)
>
ts
(T°
qu’aurait
la
parcelle
si
elle
était
saturée)
>
td
(T°
de
la
parcelle
si
elle
n’était
pas
saturée)
‐ la
T°
dans
les
basses
couches
peut
même
augmenter
avec
l’al(tude:
on
parle
alors
d’inversion
thermique
=
dans
ce
cas
l’air
est
répar(
dans
le
sens
ver(cal
conformément
à
sa
densité
(il
ne
bouge
pas
ou
s’affaisse)
=
c’est
la
stabilité
absolue
Les
règles
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L’évolu(on
thermique
ver(cale
L’instabilité
Conclusion
Exercices
Z
cas
de
floKabilité
posi(ve
plus
l’écart
entre
t
et
td/ts
est
important
et
plus
le
mouvement
vers
le
haut
sera
rapide
Z
température
t
td
ts
Les
règles
physiques
L’évolu(on
thermique
ver(cale
L’instabilité
Conclusion
Exercices
‐ la
courbe
d’état
est
à
gauche
de
l’adiaba3que
sèche:
‐ dans
ce
cas
la
température
diminue
rapidement
avec
l’al(tude
‐ donc
t
<
td
<
ts.
CeKe
dernière
en
montant
se
retrouve
plus
chaude
que
son
environnement
et
con(nue
de
monter
parfois
jusqu’à
la
tropopause
où
il
y
a
une
inversion
thermique
qui
stoppe
tous
les
mouvements
ascendants
(présence
d’ozone
dans
la
stratosphère)
=
c’est
l’instabilité
absolue
‐
l’atmosphère
est
alors
agité
de
mouvements
ver(caux
vers
le
haut
mais
aussi
vers
le
bas
par
compensa(on
de
masse
Les
règles
physiques
L’évolu(on
thermique
ver(cale
L’instabilité
Conclusion
Exercices
Z
cas
de
floKabilité
condi(onnelle
td
<
t
<
ts
Z
température
td t ts
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règles
physiques
L’évolu(on
thermique
ver(cale
L’instabilité
Conclusion
Exercices
‐ soit
la
courbe
d’état
est
entre
les
deux
adiaba3ques:
‐ dans
ce
cas
tout
dépend
de
la
satura(on
de
la
parcelle
d’air.
Si
elle
est
saturée,
elle
monte
en
suivant
la
pseudo‐
adiaba(que
et
se
retrouve
donc
plus
chaude
que
son
environnement
(instabilité
absolue)
soit
elle
n’est
pas
saturée
et
suit
alors
l’adiaba(que
sèche
et
se
retrouve
donc
plus
froide
que
son
environnement
et
retombe
=
stabilité
absolue
‐ il
s’agit
ici
d’un
cas
d’instabilité
condi3onnelle
Les
règles
physiques
L’évolu(on
thermique
ver(cale
L’instabilité
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Exercices
Pour résumer…
- dans la réalité, la stabilité absolue ou l’instabilité absolue sont assez rares;
l’atmosphère est généralement en instabilité conditionnelle
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ver(cale
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Exercices
- mais la courbe d’état peut chevaucher les adiabatiques et générer des stratifications
de différentes stabilité…
Z
début de la convection libre
Z
condensation
température
formation nuageuse dans la colonne d’air
équilibre avec la temp. de l’air ambiant
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Exercices
- la parcelle d’air (PA) – saturée en vapeur d’eau - s’élève en suivant la PAS
- la condensation de la vapeur d’eau génère une nébulosité verticale depuis la surface
jusqu’au niveau A
- la PA continue de s’élever depuis le niveau A jusqu’à ce qu’elle croise la courbe d’état
Z
A : arrêt de la saturation
Z
la parcelle est saturée en vapeur d’eau
température
Les
règles
physiques
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thermique
ver(cale
L’instabilité
Conclusion
Exercices
Convection libre et forcée…
- il faut bien faire la différence entre la convection libre qui dépend des différences de
densité au sein de l’air et la convection forcée qui dépend d’une force agissant sur
l’air et l’obligeant à monter mécaniquement
Les
règles
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thermique
ver(cale
L’instabilité
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Exercices
‐ la
parcelle
d’air
en
surface
n’est
pas
saturée
=
si
elle
s’élève
sa
température
baissera
selon
l’adiaba(que
sèche.
La
situa(on
est
stable
puisque
la
parcelle
est
plus
froide
que
l’environnement
extérieur
=
elle
ne
peut
donc
pas
s’élever
sauf
si
une
condi(on
extérieure
(convergence
dans
les
basses
couches,
relief…)
intervient
‐ si
le
refroidissement
entraîne
sa
satura(on
=
la
parcelle
d’air
va
s’élever
en
suivant
la
pseudo‐adiaba(que
saturée
(on
reste
dans
le
cas
d’une
convec(on
forcée)
‐ croisement
de
la
courbe
d’état
avec
la
courbe
de
la
parcelle
d’air
=
convec(on
libre
puisque
la
parcelle
d’air
en
se
refroidissant
se
retrouve
toujours
plus
chaude
que
son
environnement
=
elle
monte
donc
jusqu’à
ce
que
la
pseudo‐adiaba(que
(ou
bien
l’adiaba(que
sèche
à
par(r
du
moment
où
la
parcelle
n’est
plus
saturée)
croise
à
nouveau
la
courbe
d’état
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thermique
ver(cale
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À retenir…
 les mouvements verticaux de l’air s’organisent à partir d’un état d’équilibre appelé
équilibre hydrostatique
 la convection libre et la convection forcée sont à l’origine des mouvements verticaux
de l’air
 l’air qui s’élève se refroidit selon un taux de -1°C/100m. S’il est saturé, la condensation
de la vapeur d’eau ralentit cette baisse
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thermique
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L’instabilité
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règles
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thermique
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