LES NUAGES
publicité
LES NUAGES Qu’est-ce qu’un nuage? • C’est des gouttelettes d’eau et des cristaux de glace que l’on retrouve en très grande concentration (environ 1000 cm-3) • Leur diamètre est si petit qu’ils peuvent demeurer en suspension dans l’air (1/100 ième de mm). • Les nuages produisent la précipitation et sont d’une grande importance dans la régulation du climat. Très petit une gouttelette de nuage! Leur diamètre varie de 4 à 100 mm (1 mm = 0,001 mm) Distribution de grosseurs des gouttelettes de nuages • important pour la formation de la précipitation • propriétés radiatives des nuages • si r diminue réflectivité du nuage augmente • si r diminue persistance plus grande du nuage • effet climatique relié aux aérosols • gel hétérogène des gouttelettes Les phases de l’eau déposition Condensation/évaporation: pour T > -400C Fusion: pour T > 00C; Gel: pour 0 < T < -400C Déposition/sublimation: pour T < 00C L’énergie nécessaire au changement de phase FUSION (glace liquide): 0,3337 · 106 J kg-1 SUBLIMATION (glace gaz): 2,8345 · 106 J kg-1 ÉVAPORATION (liquide gaz): 2,5008 ·106 J kg-1 Chaleur latente Ex: la fonte de la glace la fraîcheur ressentie l’été près des arrosoirs orages 1 J = travail (énergie) nécessaire pour déplacer de 1 mètre un objet d’un poids de 1 Kg L’humidité L’humidité représente la quantité de vapeur d’eau contenue dans l’air. La quantité de vapeur d’eau qu’un volume peut contenir est finie. Plus la température d’un volume est élevée, plus il peut contenir de vapeur d’eau Lorsque la quantité de vapeur d’eau a atteint sa valeur maximale (correspondant à une certaine température), le volume est alors saturé. L’humidité relative C’est le rapport de la quantité de vapeur d’eau contenu dans un volume sur la quantité maximale que ce volume peut contenir Pour une même quantité d’humidité, HR varie en fonction de T Évaporation/Condensation Saturation: le taux de condensation = le taux d’évaporation Sous-saturation: le taux de condensation < le taux d’évaporation Sursaturation: le taux de condensation > le taux d’évaporation g/m3 g/kg Relation entre es(T) vs T Température du point de rosée C’est la température à laquelle l’air doit être refroidi afin que le volume devienne saturé. Comment produire un nuage? 3 solutions: • Ajouter de la vapeur d’eau • Diminuer la température • Mélanger 2 masses d’air de T différentes Solution #1: Évaporation au-dessus des mers et plans d’eau Baisse de la température • Refroidissement radiatif • Refroidissement pas ascension (adiabatique) Refroidissement radiatif: Les brouillards • Les brouillards radiatifs • La fumée de mer • Les brouillards de précipitation Brouillard de radiation Le brouillard de radiation est causée par le refroidissement radiatif de la surface durant la nuit. 2 facteurs favorisent ce type de brouillard: • une masse d’air humide • nuits claires (sans nuage) Endroits favorisés: • villes et campagnes côtières • champs d’agriculture/forêts • vallée Initiation du brouillard T FLW FLW Propagation verticale du brouillard T Exemple: vallée Fumée de mer Air froid qui est advecté au-dessus d’un plan d’eau « chaude ». Fumée de mer: ajout de H2O + mélange d’air Vent froid et humide Fsh Flh Eau relativement chaude Ce processus est plus efficace si T < 0. Pourquoi? FUMÉE DE MER (résumé des processus de formation) • Air froid et humide au-dessus d’un plan d’eau chaude • formation d’une mince couche de brouillard au contact de l’air froid et de l’eau chaude. • Air près de la surface de l’eau continue de se réchauffer et de s’humidifier de telle sorte qu’elle demeure saturée. • Instabilité résultant du réchauffement de l’air en surface provoque un mélange vertical de l’air. • Condensation se produit au-dessus (ce qui donne l’aspect de fumée) par mélange d’air de T et d’humidité différentes. Refroidissement par décompression Lorsqu’une parcelle d’air s’élève dans l’atmosphère, sa pression s’ajuste à la pression ambiante et alors elle se détend, c’est-à-dire que son volume augmente. En absence d’apport extérieur de chaleur, la parcelle doit utiliser une partie de son énergie interne afin de se détendre (elle fait un travail). Cela produit une baisse de sa température. On peut montrer (1ière loi de la thermodynamique) que le taux de refroidissement dans de telle condition est d’environ 100C/km. Refroidissement par décompression Si il y a changement de phase (condensation), alors il y a dégagement de chaleur latente. Cela réduit le taux de refroidissement de la parcelle d’air. Dans ce cas, le taux de refroidissement varie entre 5 et 7oC/km Refroidissement par dilatation La stabilité Stable: l’objet déplacé retourne à son emplacement d’origine. Instable: l’objet déplacé s’éloigne de son emplacement d’origine. Stabilité de l’atmosphère Instable stable neutre La stabilité absolue L’instabilité absolue L’instabilité conditionnelle Comment peut-on forcer une parcelle d’air à s’élever dans l’atmosphère Convergence: montagnes Comment peut-on forcer une parcelle d’air à s’élever dans l’atmosphère Convergence: pente d’un continent Comment peut-on forcer une parcelle d’air à s’élever dans l’atmosphère Dépression Front Creux Les types de nuages Exercices Si une masse d’air chaud et humide est advecté au-dessus d’un sol très froid, y aura-t-il formation de nuages? Si de l’air glacial et très humide est advecté au-dessus d’un sol plus chaud, y aura-t-il formation de nuages? Formation de la précipitation aérosols Gouttelettes d’eau Pluie Grêle Cristaux de glace Grésil Neige Verglas Temps de formation de la précipitation: environ 15 minutes! Goutte de pluie (2 mm) Gouttelette de nuage (20 mm) Aérosol (0,2 mm) Les aérosols Les aérosols sont des particules solides et/ou liquides de tailles allant de 0,01 mm à quelques dizaines de mm en suspension dans l’air. • poussières • bactéries • sel de mer • sulphates • composés organiques Aérosol comme noyau de condensation Les aérosols facilitent la nucléation des gouttelettes car ils offrent une surface sur laquelle l’eau peut se condenser, réduisant ainsi la force de pression externe nécessaire au maintien de la cohésion de la gouttelettes. La formation d’une gouttelette d’eau Lors de la formation d’une gouttelette, les molécules d’eau à la surface subissent une force nette vers l’intérieur de la gouttelette (Pext – Pint) Une autre force agit en sens inverse: la tension de surface. Elle agit afin de « solidifier » les liens moléculaires entre les molécules de surface. Cette force dépend du rayon de la gouttelette. Lorsque r diminue Pext doit augmenter afin de garder la cohésion 4pr2s (pext-pint) Vg La formation d’une gouttelette d’eau L’air doit être sursaturé afin qu’une gouttelette puisse se former! Aérosols Croissance par condensation ou déposition (glace) Le grossissement par condensation est inversement proportionnelle au rayon de la gouttelette. Le taux de grossissement diminue donc lorsque R augmente. Ce processus devient très peu efficace pour R>10 mm Croissance par collision Croissance par collision • R > 20 mm pour être efficace • Gouttes-gouttes : bonne efficacité • Gouttes-cristaux: pas très bonne efficacité 20 mm 500 mm La croissance par collision est efficace si le nuage est épais et que le mouvement vertical ascendant dans le nuage est élevé. Comment expliquer alors que certains nuages de faible extension verticale produisent de la précipitation ? Processus de Bergeron Les gouttelettes d’eau s’évaporent et cette vapeur d’eau se dépose sur les cristaux de glace permettant à ces derniers de croître plus rapidement. La pression partielle de H2O(g) saturante par rapport à l’eau est plus grande que la pression partielle de H2O(g) saturante par rapport à la glace. Cette différence est maximale à environ –15oC -15oC Si e < esi sublimation des cristaux et évaporation des gouttelettes Si e > esw condensation sur gouttelettes et déposition sur cristaux Si esi < e < esw évaporation des gouttelettes et déposition sur cristaux Effet Bergeron esi < e < esw évaporation des gouttelettes et déposition Transfert de l’eau liquide vers la glace Grossissement rapide des cristaux car ils sont peu nombreux. Cette situation perdure tant et aussi longtemps qu’il y a des gouttelettes dans le nuage. • Ce processus explique la formation de la neige dans les nuages minces • Au moins une partie du nuage doit cependant être à une température inférieure à 0oC. • Ce processus est le plus efficace vers –15oC. La formation des cristaux de glace • Déposition (vapeur solide avec noyau de glaciation) – À -40 C< T < 0C – Ce processus augmente en efficacité quand T diminue • Gel homogène (liquide solide sans noyau de glaciation) – Lorsque T < -40C seulement – Se produit dans les nuages élevés de type cirrus • Gel hétérogène (liquide solide avec noyau de glaciation) – Similaire au processus par déposition sauf que dans ce cas il y a formation de gouttelettes (étape intermédiaire). Types de précipitation • neige • pluie • grésil • verglas • grêle pluie neige Grésil Verglas Types de cristaux vs température Temperature (°C) Forme 0 to -4 disques minces -4 to -6 aiguilles -6 to -10 colonnes -10 to -12 disques -12 to -16 dendrites -16 to -22 disques -22 to -40 Aiguilles, col. Fréquemment, les cristaux sont agglomérés et donc n’ont pas de formes très définies. Les systèmes convectifs: orage 1. Les orages de masse d’air 2. Les orages supercellulaires et multicellulaires L’orage de masse d’air Les ingrédients pour le développement d’orages de masse d’air sont: 1.Réchauffement diurne du sol important 2.Air humide en surface 3.Instabilité conditionnelle ou absolue en altitude Stages de développement (orage de masse d’air) cumulus mature dissipation Pourquoi fait-il plus frais lors d’un orage? • Entraînement d’air sec dans le nuage évaporation refroidissement courant descendant jusqu’au sol • Fonte de la neige/grêle au niveau où T>0oC fusion (absorption de chaleur latente) refroidissement courant descendant jusqu’au sol Les orages supercellulaires STRUCTURE • Vent qui augmente en intensité avec altitude • Vent qui change de direction avec altitude • Permet un déplacement à 45o de la cellule • courant ascendant principal penché • fort courant descendant à l’arrière • peut produire des tornades Autres types de systèmes convectifs • Les orages multi-cellulaires (lignes de grain) • Les complexes convectifs à méso-échelle FORMATION DE LA GRÊLE Coupe transversale d’un grêlon La grêle Climatologie orages intenses Prévision Cotton, W.R. et R.A. Anthès, 1989: Storms and Cloud Dynamics p. 542. (1) 1-3 mm, (2) 4-12 mm, (3) 13-20 mm, (4) 21-30 mm, (5) 31-52 mm et (6) 52 et +. Le nomogramme nous indique que plus la vitesse du courant ascendant est élevées, plus les grêlons sont gros. Tornades • Petit tube tourbillonnant d’air de diamètre inférieur à 1 km • Généré à l’intérieur des supercellulles (mésocyclone) • Vents pouvant atteindre 500 km/h! • Vitesse de déplacement: entre 30 et 50 km/h Le mésocyclone: Les tourbillons dans les orages intenses Les tornades: la formation Intensification du mésocyclone à l’intérieur d’une supercellulle. Par conservation du moment angulaire: si v augmente r diminue (L = m v r) Si v augmente la pression à l’intérieur du tube baisse Si r diminue le tube de tourbillon s’allonge Climatologie: Tornades Echelle de Fujita Échelle Dommages Vitesse du Vent (km/h) Description F0 Légers 60 - 100 Antennes de TV tordues; petites branches d'arbres cassées; caravanes déplacées F1 Modérés 120 - 170 Caravanes renversées;arbres arrachés; dépendances soufflées F2 Importants 180 - 250 Toitures soulevées; objets légers transformés en projectiles; structures légères brisées F3 Sévères 260 - 330 Murs de maisons renversés; arbres cassés dans les forêts; projectiles de grande dimension F4 Dévastateur s 340 - 410 Maisons bien construites rasées; gros projectiles; quelques arbres emportés par le vent F5 Maximum 420 - 510 Fortes structures envolées; arbres emportés par le vent; projectiles à grande vitesse. Dangereuses tornades…
