microphysique des nuages

MICROPHYSIQUE DES NUAGES :
Présenté par
Jean-Martial COHARD
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Plan du cours
MICROPHYSIQUE DES NUAGES :
I- Intérêt pour les nuages …
II - Description des nuages :
Composition des nuages
Les paramètres clefs
Les hydrométéores
loi de distribution
III - Formation des nuages : La nucléation
IV - Formation des précipitations
V- Propriété des Nuages
VI - Mesure dans les nuages
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Intérêt pour les Nuages
Le ciel nous tomberait il sur la tête …?
Par
toutatis
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Intérêt pour les Nuages
Une Première approche : Classification des nuages
Lamark – 1802, Howard - 1803
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Intérêt pour les Nuages
Classification des nuages
Cirrus
(Ci)
Altocumulus
(Ac)
Cirrostratus
(Cs) Cirrocumulu
s
(Cc)
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Intérêt pour les Nuages
Strato-cumulus
(Sc)
Strato-cumulus
(Sc)
Classification des nuages
Stratus
(St)
Strato-cumulus
(Sc)
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Intérêt pour les Nuages
Classification des nuages
cumulonimbus
cumulus
(Cu)
cumulonimbus
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Intérêt pour les Nuages
Classification des nuages
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Intérêt pour les Nuages
C’est quoi un nuage …
Ce sont des bulles (Von Guericke, 1672)
Je ne crois pas (Waller, 1846), les particules
d’un brouillard n’explose pas lorsqu’elle impact
une plaque.
Je confirme (Assman, 1884) …
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Intérêt pour les Nuages
Et la neige alors …
雪xue, les cristaux sont hexagonaux (Han Ying, 1358 av. J.C.)
En Europe ce sont les observations d’un bûcheron (Olaus Magnus, 1555)
qui rapporte ces informations
Mais pourquoi donc ? (Kepler)
Moi j’observe (Descartes, 1635)
Moi aussi (Hooke)
Hep! La forme dépend de la
température (Scoresby, 1820)
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0°C 0°C
Phase mixte :
Phase chaude :
cristaux
neige
grêle
agrégats
gouttes
eau nuageuse
eau de pluie
Propriétés des nuages = f( , , , , , )
Composition des Nuages
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Phase mixte :
Phase chaude :
Cristaux :
neige :
grêle :
agrégats :
eau nuageuse :
eau de pluie :
Gouttelette d’eau (Φ< 100 µm)
non précipitante
Eau de pluie (Φ> 100 µm)
Glace sous forme cristallographiques
(aiguille, fuseau, colonne, plate,
hexagonale, dendrite, …)
Assemblage de cristaux
eau surfondue gelée au contact d ’un
cristal
mélange de neige et d ’eau surfondue
Composition des Nuages
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Composition des Nuages
Les gouttes d’eau
4,00 mm 3,68 mm 2,90 mm
2,65 mm 1,75 mm 1,35 mm
393 µm354 µm 155 µm
Plus les gouttes sont grosses plus
elles se déforment
Pas de goutte > 1cm
Aérodynamiquement instable
Remarquable sphéricité des
gouttelettes
Pruppacher et Beard, 1970
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La formation des cristaux de glace
dépend de la température et de la
vapeur disponible
Composition des Nuages
Les cristaux
Nakaya, 1954
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La Grêle se forme par congélation
de goutte d’eau surfondu ou
d’agrégat (glace + eau). Les
grêlons croissent par sublimation et
par collection
Composition des Nuages
Les cristaux
En fonction de leur parcours dans le
nuage, ils grossissent plus ou moins
uniformément. Ils sont alors constitué
de couche de différente densité.
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SO2+ OH H2SO4
Propriétés radiatives
Propriétés précipitantes
Propriétés électriques
propriétés chimiques
hν
6
D∝
dz
dD4
∝
2
D∝
2
D∝
Composition des Nuages
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Les grandeurs thermodynamiques
Dans les Nuages
Équilibre thermodynamique entre
de l’air, de l’eau et de la glace
f(T,P,H)
P = Pair sec + e
Avec :
e = ρv. Rv. Tv
Pair_sec = ρa. Ra. Ta
0°C 0°C
ePe
r− =.
ε
P
e
q.
ε
=
La vapeur
sss r
r
q
q
e
eRH ≈==
%100
Rapport de mélange (g/g) :
Humidité spécifique (g/g) :
Humidité relative :
ε = Ra/Rv= 0.622 g vapeur /g air sec
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Les grandeurs thermodynamiques
Dans les Nuages
De même pour la glace
,
%,
100%. sw
sw
rr
sr
−
=
,11
exp v
sw o ao
L
ee RT T
⎛⎞
⎛⎞
=−
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎝⎠
⎝⎠
0°C 0°C
Pression de vapeur saturante sur l’eau :
avec e0= 0.611 kPa
Rapport de mélange à saturation (g/g)
,
,,
.sw
sw sw
e
rPe
ε
=−
sursaturation :
,
11
exp s
si o vo
L
ee RT T
⎛⎞
⎛⎞
=−
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎝⎠
⎝⎠
,
,,
.si
si si
e
rPe
ε
=−
,
%,
100%. si
isi
rr
sr
−
=
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Les grandeurs thermodynamiques
Dans les Nuages
L’eau liquide dans le nuage
Contenu en eau (g/kg)
LWC = meau/kgair
Concentration de gouttes (cm-3)
NDC = Nbgoutte/kgair
La glace dans le nuage
Contenu en glace (g/kg)
IWC = meau/kgair
Concentration de gouttes (cm-3)
ICP = Nbgoutte/kgair
0°C 0°C
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les hydrométéores :
L’eau nuageuse
Le contenu en eau et la concentration dans les nuages dépendent
Du type de nuage
Fletcher, 1962
cumulus
(Cu)
Stratus
(St)
Nuage orographique
(Lenticulaire)
Même lieu (Hawaii),
même contenu en eau 0,35 gm-3
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