« Méthodes d`analyse en sciences naturelles de l`environnement »

« Méthodes d’analyse en sciences
naturelles de l’environnement »
PHYSIQUE DE l’ATMOSPHÈRE
Climate Change and Climate Impacts
C3i
Université
Université de Genè
Genève
Enseignant : Sté
Stéphane Goyette
Cours Filiè
Filière A Master en Sciences de l’l’Environnement
L’eau dans
l’atmosphère
1
Troisième partie
1.3) L’
L’eau dans l’
l’atmosphè
atmosphère
•
•
•
•
•
les diffé
différentes phases de l’l’eau
la convection et formation des nuages de type cumulus
les nuages stratiformes
condensation et pré
précipitation
le Foehn
Les différentes phases de l’eau
• Dans des conditions de températures et
de
pression
atmosphérique
dites
«normales», l’eau peut exister sous trois
phases (ou états) différentes : liquide,
solide et gazeuse.
2
Quelques caractéristiques de H2O
• Sous des conditions de pression atmosphé
atmosphérique
« normale » (i.e.,
i.e., autour de 1000 hPa)
– L’eau se solidifie à 0°C et se vaporise à 100°
100°C.
– L’eau solide (glace) est moins dense que l’l’eau liquide
(0.913 kg m-3). La glace flotte donc sur l’l’eau liquide.
– Sa densité
densité est maximale à 4°C (1000 kg m-3 pour l’l’eau
pure).
– Densité
Densité décroî
croît avec la tempé
température croissante (998 kg m-3
à 20°
20°C)
• La Terre possè
possède des conditions de tempé
température et
de pression permettant à l’eau de se retrouver sous
les trois états.
Variables d’humidité
• Il existe plusieurs quantités destinées à
quantifier la vapeur d’eau dans l’air : ce sont les
variables d’humidité
– e ≡ pression de vapeur d’
d’eau (hPa)
– q ≡ humidité
humidité spé
spécifique (kgH2O / Kgair humide)
– r ≡ rapport de mé
mélange (kg
(kgair sec / Kgair humide)
– H ≡ humidité
humidité relative (%)
– (T – Td) ≡ écart p/r à tempé
température du point de rosé
rosée
(°C ou K)
– etc...
etc...
3
Profils d’humidité « moyens »
p (hPa)
200
p (hPa)
400
200
600
400
800
600
(11’500 m)
(7’800 m)
(4’600 m)
(2’000 m)
1000
(900 m)
5
10
15
q (g kg-1)
800
1000
50
70
90
H (%)
L’humidité de l’air (1/3)
Si le flux de molé
molécules vers l’air est plus
grand que celui vers l’eau,
eau, il est alors
question du processus d’évaporation
Flux de molé
molécules
vers l’l’air
Flux de molé
molécules
vers l’l’eau
Surface d’
d’eau
4
L’humidité de l’air (2/3)
Si le flux de molé
molécules vers l’air est supé
supérieur
il est question du processus de transpiration
Flux de molé
molécules
vers l’l’air
Flux de molé
molécules
vers la surface
végétation: ex.
ex. fôret
L’humidité de l’air (3/3)
Si le flux de molé
molécules vers l’air est supé
supérieur
à celui vers la surface, il est alors question du
processus d’évapotranspiration
Flux de molé
molécules
vers l’l’air
Flux de molé
molécules
vers la surface
fôret + eau + sol
5
Changements de phase de l’eau
• L’eau existe (parfois simultané
simultanément) sous trois
phases
–
–
–
Solide, neige, glace
Liquide
Vapeur
• Lorsqu’
Lorsqu’un changement de phase intervient (le
passage d’
d’un état de l’l’eau à un autre), de grandes
quantité
nergie (de chaleur) sont libé
quantités d’é
d’énergie
libérées ou
absorbé
absorbées
– Il s’
s’agit de chaleur latente
Transformation de phases de l’eau
dégagement
absorption
Lf = 0.33 MJ kg-1
co
de
ol i
.s
nd
ion
at
m
lid
b li
su
so
n
io
at
c
ifi
n
sio
u
f
Ls = 2.83 MJ kg-1
condensation
vaporisation
Lv = 2.50 MJ kg-1
6
La saturation
• Dans un volume d’
d’air, il y a saturation lorsqu’à
lorsqu’à une
Relations entre es et T
4000
e
be d
cour
3000
transition fusion
solidification
eau liquide
n
fusio
eau solide
.
d’é
va
po
ra
tio
n
•
Point triple :
T = 273.16 K (0°
(0°C)
es = 611 Pa
2000
co
ur
be
•
es [Pa]
•
tempé
température donné
donnée la quantité
quantité de vapeur d’
d’eau est
maximale, i.e.,
i.e., l’l’air ne peut en contenir davantage et
par consé
conséquent l’l’excé
excédent est aussitôt condensé
condensé.
Il est possible de caracté
caractériser la saturation par la
pression de vapeur saturante de vapeur d’
d’eau (e
(es)
dans l’l’air, laquelle croî
croît avec la tempé
température.
Il est à noter que la vapeur d’
d’eau est saturante p/r à la
glace avant d’
d’être saturante p/r à l’eau liquide.
Sous des conditions de grande pureté
pureté, il peut y avoir
momentané
momentanément sursaturation de l’l’air en vapeur
d’eau…
eau… avant qu’
qu’interviennent les noyaux de
condensation.
transition vaporisation
liquéfaction
1000
vapeur d’
d’eau
es (eau)
0
250
transition
condensation ation
sublimation
blim
su
de
be
r
u
260
co
270
ei (glace)
280
290
300
T [K]
7
Pression de vapeur saturante en
fonction de la température de l’air
Tair (°C)
es (hPa)
-18
-15
-12
-9
-7
-4
-1
0
2
4
7
10
13
16
1.5
1.9
2.4
3.0
3.7
4.6
5.6
6.11
6.9
8.4
10.2
12.3
14.8
17.7
Tair (°C)
18
21
24
27
29
32
35
36.5
38
41
43
46
49
52
es (hPa)
21.0
25.0
29.6
35.0
41.0
48.1
56.2
61.0
65.6
76.2
87.8
101.4
116.8
134.2
Le cycle hydrologique
• Le cycle hydrologique étudie la circulation de l’l’eau entre les
surfaces et l’atmosphè
atmosphère ainsi qu’
qu’avec le sol souterrain.
• Le volume d’
d’eau de la terre est approximativement de
1’360’
360’000’
000’000 km3, avec :
– 97.2 % océ
océans
– 2.0 % glaciers,
glaciers, calottes glaciaires et icebergs
– 0.58 % eaux de surface et souterraines
– 0.02 % lacs et riviè
rivières
– 0.001 % atmosphè
atmosphère
• Eau douce
– 77.2 % glaciers,
glaciers, calottes glaciaires et icebergs
– 22.3 % eaux de surface et souterraines
– 0.353 % lacs et riviè
rivières
– 0.001 % miné
minéraux hydraté
hydratés
– 0.003 % biosphè
biosphère
– 0.04 % atmosphè
atmosphère
8
Bilan Hydrique Global
100 % = 1040 mm
+6%
-6%
-80%
+14%
+86%
P
P
E
-6%
-14%
E
Atmosphère
-20%
+6%
+20%
+80%
Continent
-86%
Océan
E = évaporation
N.B. Si toute l’l’eau contenue dans
ère se condensait et pré
atmosph
précipitait,
P l’l’=atmosphè
précipitation
elle couvrirait la Terre d’
d’une épaisseur d’
d’environ 2.5 cm !
Condensation et précipitation
• La condensation dé
désigne le changement de phase
•
•
qui transforme la vapeur d’
d’eau atmosphé
atmosphérique en
gouttelettes de nuage,
nuage, de brouillard ou de rosé
rosée
autour de noyaux de condensation.
condensation.
Les gouttelettes sont à l’origine de la formation de
plus grosses gouttes d’
d’eau qui dé
déclenchent les
pré
précipitations.
cipitations.
La chaleur latente dégagé
gagée lors du processus de
condensation repré
représente un des facteurs majeurs de
la thermodynamique et de la dynamique de la
troposphè
troposphère donc des mouvements de l’l’air.
9
La convection et formation des
nuages de type cumulus
pas de
turbulence
turbulence
couche instable
surface
Dé traînement
au sommet
Subsidence
Entraînement,
dé traînement
Entraînement,
dé traînement
Subsidence
Forte ascension
Condensation
Convergence
10
Cumulus “de beau temps”,
témoins de la couche limite
Les nuages stratiformes
• La nomenclature moderne divise les nuages en deux
•
grands types : convectifs et stratiformes.
Le soulè
soulèvement dit de grande échelle est le ré
résultat
des processus dynamique dans une atmosphè
atmosphère plus
stable. Ce soulè
soulèvement produit des systè
systèmes
nuageux d’
’
une
texture
uniforme,
pouvant
couvrir
des
d
2
milliers de km .
11
Le Foehn (ou Chinook)
vent
altitude
(km)
-12°C
3
apport de chaleur
latente
2
pertes d’humidité
1
Foehn
chaud et sec
10°C
18°C
0
Donc l’eau dans l’atmosphère…
• Composé
Composé chimique (H2O) essentiel pour la vie que l’l’on
•
•
•
•
retrouve sous ses trois phases.
Responsable pour plus de la moitié
moitié de l’l’effet de serre
naturel.
Plusieurs variables sont utilisé
utilisées pour quantifier la
vapeur d’
d’eau dans l’l’atmosphè
atmosphère.
L’eau participe à la formation des nuages et des
pré
précipitations.
L’eau circule et transite dans plusieurs ré
réservoirs à
l’échelle
’échelle plané
planétaire et participe donc à un cycle
important : le cycle hydrologique en étroite relation
avec le cycle énergé
nergétique qui dé
détermine la tempé
température
moyenne sur Terre.
12
Noyaux de condensation
• Particules solides ou liquides de trè
très petite taille,
•
•
flottant dans l’l’air et sur lesquelles peuvent
s’accumuler des gouttelettes d’
d’eau par changement
de phase de la vapeur d’
d’eau environnante qui se
transforme en eau liquide aprè
après condensation.
Certaines de ces particules sont dites hygroscopiques.
hygroscopiques.
On parle de noyaux de condensation solide quand ce
sont des cristaux de glace qui, par condensation
solide, s’
s’accumulent sur la particule flottant dans l’l’air.
Grandeurs caractéristiques…
Type de particules
Rayon
(µm)
Nb de particules
par cm3
—————————
fourchette
typiquement de
Petites
(Aitken)
< 0.2
1000 à
noyaux de condensation
10’
1000
10’000
———————————————————————————————————
Grosses
noyaux de condensation
0.2 à 1.0
1 à 1000
100
———————————————————————————————————
Géantes
noyaux de condensation
> 1.0
< 1 à 10
1
———————————————————————————————————
Brouillard et gouttelettes
de pluie
> 10
10 à 1000
300
13
Pression partielle de vapeur
d’eau
• Loi de Dalton : p = Σ pi ; pi = pression partielles
– si
i = H2O, pH2O = e
– considé
considérons p = 1000 hPa
– si N2 = 78% , O2 = 21% et (H2O)vap = 1% ,
alors pN2 = 780 hPa , pO2 = 210 hPa et e = 10 hPa
14