L`eau dans l`atmosphère

Où trouve t-on de l’eau ?
Petite proportion, grands effets
Petite proportion, grands effets
Toute l’eau (sous formes condensée et gazeuse) ne représente que 0,001 % de
l’eau de la planète.
Le pourcentage de vapeur d’eau dans l’atmosphère est faible, 0 à 4 % de sa
composition gazeuse totale (~ 78% diazote et ~21% oxygène).
Un volume de 12900 km3 d’eau est présent dans l’atmosphère. Seuls 2 % de ce
volume existe sous forme condensée (nuages), le reste est diffus, présent sous
forme de vapeur d’eau.
Le cycle de l’eau
L’eau existe sous trois états :
L’eau dans tous ses états
L’eau existe sous trois états :
•
forme solide (neige, glace),
•
forme liquide (que l’on boit) ;
•
forme gazeuse (la vapeur d’eau qui est
invisible).
Lorsque l’eau passe d’un état à un autre, on
appelle cela un « changement d’état » et on
les nomme comme ci-contre.
L’eau dans tous ses états
L’eau existe sous trois états :
•
forme solide (neige, glace),
•
forme liquide (que l’on boit) ;
•
forme gazeuse (la vapeur d’eau qui est
invisible).
Lorsque l’eau passe d’un état à un autre, on
appelle cela un « changement d’état » et on
les nomme comme ci-contre.
Attention :
 « vaporisation » peut aussi se dire
« évaporation ».
 Dans
le
langage
courant
« liquéfaction » se dit « condensation ».
C’est un abus de langage. Pour les
physiciens, le terme « condensation »
est bien réservé au changement d’état
gazeux  solide.
L’eau dans tous ses états
L’eau dans tous ses états
Quand l’eau change d’état :
•
il faut lui fournir de l’énergie (changement
d’état endothermique en rouge)
•
ou alors elle cède de l’énergie
(changement d’état exothermique en
bleu).
Par exemple à pression atmosphérique, l’eau
gèle à 0°C :
o 1 g d’eau qui fond absorbe 80 calories de
son environnement (80 cal ~ 335 J, sous
forme de chaleur).
o
1 g d’eau qui se solidifie cède 80 calories
à son environnement
Qu’est-ce que l’humidité selon vous ?
Point de rosée
L’humidité correspond à la quantité de
vapeur d’eau contenue dans l’air.
Plus l’air est chaud et plus il peut contenir de
vapeur d’eau mais sans dépasser une valeur
maximale.
Par exemple, à 20°C, un m3 d’air peut
contenir au maximum 17,3 g d’eau (voir cicontre).
Point de rosée
On appelle point de rosée, la
température à laquelle une
masse d’air doit être refroidie
pour que son humidité relative
soit 100 %, on dit alors que la
masse d’air est à saturation.
La rosée du matin
Exemple ci-contre :
 Le jour, l’air est à 20°C et l’humidité relative à 50 %.
 Lorsque le soir arrive, la température diminue sans que le poids de la vapeur d’eau
change.
 Donc l’humidité relative augmente.
 Quand l’air est à 9°C, le point de rosée est atteint et une partie de la vapeur d’eau
contenue dans l’air se condense (se liquéfie pour être exact !).
 C’est ce qui explique la rosée du matin. Plus l’air se refroidit et plus on observera de
rosée. Si la température descend en dessous de 0°C, on observe de la gelée blanche
rosée
gelée blanche
L'addax ou antilope à nez tacheté
•
Taille : 1,40 à 1,60 m
•
Poids : 60 à 125 kg
•
Longévité : 16 à 20 ans
L’addax est une antilope particulièrement rare qui vit
dans de multiples régions isolées du Sahara. C'est
l’antilope la plus adaptée aux déserts, elle est
capable de survivre des années sans boire et
d'habiter dans des endroits extrêmement arides (elle
lèche la rosée du matin sur les rochers).
Toutefois l'addax n'est pas très endurant à la course
du fait de ses faibles ressources en nourriture et en
eau.
Mesure
L’humidité relative peut se mesurer avec un hygromètre.
Hygromètre à cheveu
L’humidité relative peut aussi se mesurer
avec un psychromètre, appareil constitué de
deux thermomètre (un sec et un mouillé).
Psychromètre installé dans un
abri météorologique
Accumulation de granule de
glace au sol (grésil)
Les pluies verglaçantes sont dues à des
précipitations d’eau surfondue
Eau surfondue
 De l’eau surfondue est de l’eau liquide en dessous de son point de congélation
(0°C) ;
 Il y a beaucoup de gouttelettes d’eau en surfusion dans l’atmosphère ;
 L'eau peut se présenter sous forme surfondue dans un intervalle de
température allant de 0 °C à -39 °C :
o se congèlera dès qu'elle entrera en contact avec une surface solide
o ou avec un type particulier d'aérosol appelé « noyau de condensation ».
 Proportion noyau de condensation varie :
o Sur terre =10 x mer
o En ville= 10 x campagne
Dans l’aéronautique, on peut citer comme conséquences les traînées de
condensation et le givrage des avions.
Traînées de condensation
Les traînées de condensation sont créées par
la condensation de la vapeur d'eau émise
par les moteurs d’avion à très haute altitude.
C’est la transformation de gouttelettes d’eau
en suspension en cristaux de glace qui créé
ces traînées blanches.
Traînées de condensation
Les traînées de condensation sont créées par
la condensation de la vapeur d'eau émise
par les moteurs d’avion à très haute altitude.
C’est la transformation de gouttelettes d’eau
en suspension en cristaux de glace qui créé
ces traînées blanches.
Les traînées en bouts d’aile (ou de détente)
sont beaucoup plus rares car les noyaux de
condensation sont plus rares en bout d’aile
qu’au niveau d’un réacteur.
Questions BIA
MTO - Quand le bulletin météorologique prvoit que le point de rosée et la température
ambiante seront bientôt identiques, il faut s'attendre à :
a) de la neige
b) de la pluie
c) du brouillard
d) de la vapeur d'eau
MTO - Le degré hygrométrique est :
a) le degré de température utilisé dans l’échelle de mesure Kelvin.
b) le degré de température utilisé dans l’échelle de mesure Celsius.
c) le rapport entre la masse de vapeur d'eau contenue effectivement dans l’air et celle que
cet air peut contenir au maximum.
d) la différence de température entre les deux thermomètres d’un hygromètre.
MTO - Les météorologistes utilisent fréquemment, pour mesurer la température et
l'humidité de l'air, un appareil constitué de deux thermomètres, dont le réservoir de
l'un est entouré de mousseline maintenue humide. Cet appareil est appelé :
a) hygromètre.
b) baromètre.
c) psychromètre.
d) anémomètre.
MTO – Le changement d’état de l’eau, de l’état liquide à l’état solide est dénommé :
a) glaciation
b) solidification
c) durcissement
d) cristallisation
Givrage des avions
Il peut être dû :
o à de l’eau surfondue (en général en altitude) ;
o à des précipitations de neige ;
o ou une température de rosée proche de la température réelle.
Quelles sont les conséquences selon vous ?
Givrage des avions
C’est un phénomène très dangereux pour les aéronefs car il peut causer :
o l’alourdissement de l’appareil ;
o la modification du profil aérodynamique ;
o le blocage de parties mobiles ;
o la mise hors service de capteur ou de sonde (pitot, prise de pression statique …)
o le givrage du carburateur (pour les avions concernés) …..
Comment lutter contre le givrage
selon vous ?
Lutte contre le givrage au sol
Au
sol,
dégivrage
avant
le
décollage, éventuellement avec
un antigel de courte durée.
Lutte contre le givrage en vol
Systèmes anti-givrage et dégivrage sur ATR72
On brise la glace par
déformation d’une membrane
en caoutchouc.
Solutions :
o réchauffage par résistances électriques (tube de pitot, prises statiques, parebrise, pales d’hélice, balises lumineuses, … ) ;
o systèmes pneumatiques (boots de bords d’attaque, … )
Cas du carburateur (avions légers)
Cet organe des moteurs à essence permet de préparer un mélange d'air (dont l’oxygène est le
comburant) et d’essence (le carburant) ; mélange qui doit brûler ensuite dans la chambre de
combustion. Le mélange doit avoir un rapport carburant/air 15:1 (15 grammes d'air pour
1 gramme de carburant), on parle de la richesse du mélange.
vers la chambre
de combustion
Position carburateur sur moteur
4 cylindres à plat (pièce n° 10)
Givrage du carburateur (avions légers)
C’est un phénomène très dangereux en aéronautique qui se produit lorsque la température
de l'air ambiant se situe entre 0°C et 10°C. Au niveau du carburateur, l'évaporation
(évaporation = changement de phase endothermique) de l'essence fait diminuer la
température de 10°C à 15°C par rapport à celle de l'air ambiant, ce qui peut conduire à une
température négative dans le carburateur. La condensation de la vapeur d'eau a alors
presque toujours lieu, mais à l'état liquide : on a de l'eau surfondue. Cette eau va se solidifier
au contact des parois dans le carburateur. On obtient alors des morceaux de glace qui vont
boucher le carburateur. Pour éviter ce phénomène, les pilotes doivent, lorsque les
conditions météorologiques font présager le givrage du carburateur, utiliser le
système de réchauffage du carburateur (en préventif).
Conditions de givrage du carburateur (avions légers)
A l’aide du graphe ci-dessous, les conditions favorables au givrage carbu ?
Humidité relative importante,
Température entre 0 °C et 15 °C,
Puissance moteur en descente,
Ecart entre température et point de
rosée inférieur à 20 °C.
Lutte contre le givrage du carburateur (avions légers)
Le givrage carburateur se détecte par une baisse du
régime moteur et des ratées de moteur sans baisse
de l’environnement sonore. La réchauffe carburateur
doit être utilisée en préventif mais diminue la
puissance disponible au niveau du moteur.
Principe de réchauffe
Bouton réchauffe carbu
sur Cessna 152.
Certains appareils disposent d’un
indicateur de température carburateur.
Adiabatisme
Le soleil surchauffe la route ; il apparaît au dessus
de cette route une couche d’air surchauffée (à une
température supérieure à l’air environnant). Cet air
surchauffé monte (à pression constante, la densité
de l’air diminue quand sa température augmente,
l’air chaud est donc plus léger que l’air froid). L’air
étant un mauvais conducteur thermique, les
particules d’air surchauffées qui montent n’ont pas
le temps d’échanger de l’énergie avec le milieu qui
les entoure ; de plus, en montant, ces particules
subissent une baisse de pression. On dit que les
particules d’air en ascendance forcée subissent
une détente adiabatique. Le phénomène est
réversible, des particules d’air en descente forcée
subissent une compression adiabatique
Dans l’atmosphère, le gradient moyen de température observé est de –2°C pour 1000 ft alors que
le gradient adiabatique est de –3°C pour 1000 ft.
Une particule d’air en ascendance forcée se refroidit donc plus vite que son milieu ambiant.
Variation verticale de température
z est l’altitude,
t est la température.
Stabilité
de l’air
Les particules d’air en ascendance forcée restent plus froides
que le milieu ambiant et finissent par redescendre (car restent
plus lourdes que les masses d’air ambiantes). On observe un
phénomène convectif. Si les particules sont saturées, il y a
condensation et donc possibilité de formations nuageuses
(cumulus de beau temps).
Stabilité
de l’air
Les particules d’air en ascendance forcée restent plus chaudes
que le milieu ambiant et continuent leur montée (car restent
plus légères que les masses d’air ambiantes). Quand ces
particules sont saturées, il y a condensation et apparition de
formation de nuageuses à fort développement vertical
(tower cumulus, cumulonimbus).
Les nuages
Les nuages sont formés d’un ensemble
de gouttelettes d’eau (de diamètre
inférieur à 200 mm) et / ou de cristaux
de glace en suspension dans l’air. Ils se
forment par condensation de la
vapeur d’eau lors d’ascendance de
masses d’air ou lors de rencontre de
masses
d’air
de
températures
différentes.
Les
ascendances
peuvent
être
spontanées (cas de l’air instable) ou
forcées (cas de l’air stable).
Ascendance forcée par le vent
(soulèvement orographique)
Rencontre de masses d’air de températures différentes
(soulèvement frontal)
Ascendance spontanée (convection)
Répartition des nuages
Classification des nuages
Altitude de
la base
Au dessus
de 6 km
préfixe cirro
Entre 2 km
et 6 km
préfixe alto
Entre le
sol et 2 km
pas de
préfixe
Très grande
extension
verticale
nimbo ou
nimbus
Nuage
cumuliforme
Terminaison
cumulus
Cc
cirrocumulus
Ac
altocumulus
Cu
cumulus
Cb
cumulonimbus
pas de
précipitations
associées
pas de
précipitations
associées
pluie, neige
précipitations
violentes (tout
type) et orages
Nuage
stratiforme
Terminaison
stratus
Cs
cirrostratus
As
altostratus
St
stratus
Ns
nimbostratus
pas de
précipitations
associées
pluie, neige,
granules de
glace
bruine,
neige en
grains
pluie, neige,
granules de
glace
Forme
Cumuliforme : type chou fleur - instable
Stratiforme : type strate - stable
Cas particulier, le cirrus Ci (en altitude, formé de cristaux de
glace formant des filaments et ne donnant pas de
précipitations) et stratocumulus Sc (en forme de gros galets,
ni strate ni chou donc, ou un peu des deux, pluie ou neige
faible).
Photos de nuages
Photos nuages - internet
Précipitations
On appelle précipitation, toute chute d’eau atmosphérique qu’elle soit liquide ou solide. Les
cristaux et gouttelettes composant un nuage ne peuvent chuter que par l’accroissement de leur
poids et donc de leur taille. L’accroissement de le taille des cristaux ou des gouttelettes se fait
par effet Bergeron puis coalescence (pluie), accrétion (grésil) ou agrégation (neige). Une
précipitation commence très souvent en altitude par une chute de neige ou glace (qui devient
pluie s’il y a fonte lors de la chute).
Précipitations associées aux nuages
Brumes et brouillards
Il s'agit du même phénomène (suspension dans l'atmosphère de très petites gouttelettes d'eau).
 Brume : visibilité au sol comprise entre 1 et 5 kilomètres.
 Brouillard : visibilité au sol inférieure au kilomètre.
On distingue parmi les types de brouillard :
 le brouillard de rayonnement
 le brouillard d'advection.
 le brouillard d'évaporation
La brume peut aussi être due à la présence de divers aérosols (particules de pollution industrielle
ou urbaine) qui réduisent parfois fortement la visibilité. On parle alors de « brume sèche » lorsque
l'humidité relative est inférieure à 60% (donc dans de l’air non saturé d’humidité).
Brouillards de rayonnement
Le brouillard de rayonnement se forme par refroidissement nocturne de la surface
terrestre, généralement en fin de nuit. Ce brouillard est typiquement terrestre et peut persister
plusieurs jours en période hivernale. Il se dissipe en matinée sous l'action du rayonnement
solaire, en commençant par la base, évoluant parfois en une couche de nuages bas (stratus).
La température
diminue en
commençant du sol
et en remontant
lentement en
altitude.
Brouillards d’advection
Le brouillard d'advection se forme lorsqu'une masse d'air chaud et humide se déplace sur
une surface relativement froide. La base de cette masse d'air se refroidit au contact de la
surface froide et ce refroidissement se propage sur une certaine épaisseur. Le refroidissement
entraîne la condensation de la vapeur d'eau en minuscules gouttelettes.
Brouillard d'advection à San Francisco.
Brouillards d’évaporation
Le brouillard d'évaporation qui se forme sur les surfaces maritimes, surtout en automne et
en hiver. Il est très souvent associé à la brise de terre établie la nuit qui amène de l'air froid sur
une surface maritime chaude et humide. Il se forme jusqu'à 5 miles de la côte qui est la limite de
l'influence de la brise de terre.
Visibilité
Mesure de visibilité par transmissiomètre à
l’aéroport de Roissy-Charles De Gaulle.
Questions BIA
MTO L'orage est caractéristique
a) du nimbrostratus.
b) du cumulonimbus
c) du stratus.
d) de l'altostratus.
CONN La composition idéale du mélange carburé air-essence correspond à une
proportion de 1 gramme d'essence pour :
a) 17 g d'air.
b) 20 g d'air.
c) 15 g d'air .
d) 8 g d'air.
CONN Sous certaines conditions de température et d’humidité, on utilise le réchauffage
du carburateur pour :
a) réchauffer l’air entrant dans la cabine.
b) éviter le givrage du carburant contenu dans la cuve du carburateur.
c) vaporiser l’essence injectée dans le circuit d’admission du moteur.
d) éviter le givrage autour du papillon d’admission.
CONN Lorsqu'un avion s'élève, la diminution de la densité de l’air aura tendance à :
a) provoquer un givrage carburateur.
b) augmenter la puissance utile
c) appauvrir le mélange.
d) enrichir le mélange.
MTO La cause la plus fréquente de formation des nuages dans l’atmosphère est :
a) un soulèvement d’un ensemble de particules d’air humide.
b) un affaissement d’un ensemble de particules d’air humide.
c) un réchauffement de l’air en altitude.
d) une montée rapide des températures.
Questions BIA
MTO La brume sèche :
a) est constituée de particules solides (sable, poussières, impuretés) en suspension dans
l’air non saturé d’humidité.
b) est due en grande partie à l’activité industrielle qui se développe sur la planète.
c) se forme fréquemment en période de beau temps.
d) toutes ces affirmations sont exactes.
MTO Les stratus sont des nuages :
a) dangereux à cause des turbulences et précipitations qui leur sont associées.
b) dangereux par la faible hauteur de leur base.
c) résultant d'ascendances qui permettent le vol à voile.
d) de grande étendue verticale.
MTO L’ensemble des mouvements verticaux de l'air, ascendants et descendants, dus au
réchauffement diurne du sol est appelé :
a) conduction.
b) coalescence.
c) subsidence.
d) convection.
MTO Les cirrus sont des nuages :
a) très épais et très étendus, donnant beaucoup de pluie.
b) de l’étage supérieur (+ de 6000 mètres).
c) de gaz d’échappement des avions de ligne.
d) typiques des latitudes équatoriales.
Questions BIA
MTO Le givrage de la cellule d’un avion se traduit par une :
a) augmentation de la vitesse et de la portance.
b) augmentation de la portance.
c) dérive due au déséquilibrage latéral de l’avion.
d) perte des qualités aérodynamiques de l’avion.
MTO La visibilité horizontale n’est pas très bonne, elle est supérieure à 1 km et
inférieure à 1,5 km. Il ne pleut pas et ne neige pas non plus. En météorologie on dit
qu’il y a :
a) de la brume
b) CAVOK
c) du brouillard
d) du smok.
MTO Une des conditions favorables à la formation du brouillard est :
a) l'augmentation de pression.
b) l'augmentation de température.
c) l'augmentation du taux d'humidité.
d) une baisse du taux d'humidité.
MTO L'un des groupes de nuages ci-après ne contient que des nuages stables. Lequel ?
a) Stratus, cumulonimbus, altocumulus, cirrus.
b) Altostratus, cirrostratus, stratus, cirrus.
c) Cumulus, cirrocumulus, stratocumulus, altocumulus.
d) Nimbostratus, cumulonimbus, cirrus, altocumulus.
..