« 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