Aucun titre de diapositive

L’EAU DANS L’ATMOSPHERE
La place de l’eau
Cycle de l’eau
Généralités
les 3 états
équilibre entre les 3 états
la tension saturante
la courbe de tension saturante
quelques valeurs
les retards aux changements
d'état
la sursaturation
la surfusion
Teneur en vapeur d’eau
le rapport de mélange
le point de rosée
l’humidité relative
autres
Mesure de la teneur en vapeur
Variations de l’humidité relative
Les transformations adiabatiques
principe
gradient adiabatique sec
condensation par détente
processus de condensation par
ascendance
Les transformations isobares
refroidissement en surface
advection d'air sur un sol froid
Autres processus de condensation
apport de vapeur
mélange
Stabilité et instabilité
QUITTER
La place de l’eau dans l’atmosphère
• Terre + Atmosphère
– 1,4 milliard de km3 d’eau
– 97% sont représentés par les océans
• Atmosphère seule
–
–
–
–
13 000 km3 d’eau
soit 1/100 000 de ce volume
(petite mer intérieure de 80 km x 80 km et profonde de 2000m).
2,5 cm en équivalent d’eau liquide condensé ramenée à la
surface terrestre
– 0,25% de la masse atmosphérique dont 1% sous forme
condensée (nuages recouvrant la moitié de la surface de la
terre)
Première
diapositive
2
Cycle de l’eau dans le système terre
atmosphère
ATMOSPHERE
0,035%
77
84
Précipitations
dans
l'océan
77
Précipitations
sur terre
Transport horizontal
Evaporation
océanique
84
23
16
7
Evaporation
terrestre
16
7
23
Ecoulement de surface
97% d'origine
océanique
Répartition de la totalité de l'eau
disponible sur Terre
CONTINENTS
rivières : 0,03%
couvert végétal : 0,06%
lacs : 0,3%
eau souterraine (<800m) : 11%
eau souterraine (800 - 4000m) : 14%
icebergs et glaciers : 75%
100 unités = moyenne annuelle globale des précipitations 85,7 cm
Première
diapositive
3
Les 3 états et les changements d’états
sublimation
évaporation
fusion
SOLIDE
0,334.106 J/Kg
congélation
LIQUIDE
2,5.106 J/Kg
condensation
Absorption
de chaleur
GAZ
Libération
de chaleur
condensation solide
Chaleur latente à 0°C et 1013 hPa
Première
diapositive
4
Équilibre entre les 3 états
P vapeur
1013,25 hPa
SOLIDE F
LIQUIDE
V
6,15 hPa
S
VAPEUR
0°C
température
100°C
V courbe de vaporisation ou courbe de tension saturante de la vapeur
Première
diapositive
5
La tension de vapeur et la tension saturante
1
Air sec
P=Pa
Première
diapositive
2
3
Air sec + vapeur
P=Pa+e
Air sec+vapeur saturante
P=Pa+ew(t)
6
La courbe de tension saturante de la vapeur
P vapeur
e=ew
3
LIQUIDE
e
2
Air saturé
Air humide
VAPEUR
1
e=0
t
Première
diapositive
Air sec
température
7
Quelques valeurs de ew
P vapeur (hPa)
56,2
42,4
31,7
23,4
17,0
12,3
8,7
6,1
0
5
10
15
20
25
30
35
Température °C
ew est une fonction croissante de la température
Première
diapositive
8
Les retards aux changements d'état
(1/3)
• vapeur  liquide : la sursaturation
P vapeur
LIQUIDE
sursaturation
VAPEUR
e>ew
ew
VAPEUR
t
température
Moyennant la présence de noyaux de condensation, la sursaturation
n’existe pratiquement pas dans l ’atmosphère
Première
diapositive
9
Les retards aux changements d'état (2/3)
• liquide  solide : la surfusion
P vapeur
LIQUIDE
SOLIDE
Liquide surfondu
VAPEUR
0°C
température
Surfusion généralisée dans les nuages entre 0 et -10°C/-15°C
Première
diapositive
10
Les retards aux changements d’état (3/3)
• l’équilibre vapeur / liquide surfondu
P vapeur
LIQUIDE
SOLIDE
Liquide surfondu
ew
ei
VAPEUR
t<0
0°C
température
Courbe de tension saturante (ew) de la vapeur prolongée pour les températures
négatives ew(t) > ei(t)
Première
diapositive
11
Teneur en vapeur d’eau (1/4)
• Le rapport de mélange r
– rapport de la masse de vapeur à la masse d’air sec
air sec (ma)
+
vapeur «sèche» (mv)
2
r = mv/ma = v/ a
r = 0,622
e
p-e
Correspondance ew  rw (P=1000 hPa) 
à P=1000 hPa et t=20°C l’air ne peut pas
contenir plus de 14,9 g de vapeur avec 1
kg d’air sec
Première
diapositive
air sec (ma)
+
vapeur saturante (mv)
rw = mvsat/ma = rapport de
mélange saturant ou maxi
e
rw = 0,622 w
p-ew
t (°C)
-10
0
10
20
30
ew (hPa)
2,9
6,1
12,3
23,4
42,4
rw (g/kg)
1,8
3,8
7,7
14,9
27,5
12
Teneur en vapeur d’eau (2/4)
• La température du point de rosée td
– température à laquelle il faut refroidir à pression constante un
volume d’air atmosphérique pour qu’il soit juste saturé
P vapeur (hPa)
56,2
42,4
31,7
23,4
17,0
12,3
8,7
6,1
e=17 hPa
0
5
e=ew(td)
Première
diapositive
10
15
td
20
25
30
35
Température °C
t
13
Teneur en vapeur d’eau (3/4)
• L’humidité relative U
– rapport de la tension réelle de la vapeur à la tension saturante
P vapeur (hPa)
56,2
U = 100
e
ew(t)
= 100
ew(td)
ew(t)
17,4
= 100
42,4
= 40%
42,4
ew=42,4 hPa
31,7
23,4
17,0
12,3
8,7
6,1
e=17 hPa
0
5
U # 100
r
rw
Première
diapositive
10
15
td
20
25
30
35
Température °C
t
14
Teneur en vapeur d’eau (4/4)
• L’humidité spécifique
– rapport de la masse de vapeur à la masse d’air atmosphérique
q
mv
r

ma  m v 1  r
• L’humidité absolue
– rapport de la masse de vapeur au volume d’air atmosphérique
Ha  v 
mv
e

V Rv T
• La température virtuelle
– température qu’aurait de l’air sec pris dans les mêmes conditions de
pression et de masse volumique que l’air atmosphérique considéré
Première
diapositive
15
Mesure de la teneur en vapeur
• Le psychromètre
– e = ew(t) - AP(t-t’w)
t
t’w
• Les hygromètres
– condensateurs dont le diélectrique est une
substance qui absorbe une quantité de vapeur
proportionnelle à l’humidité relative (station
automatique, radiosonde...)
– «miroir» refroidi, relié à un faisceau optique
– mèche de cheveux (hygrographe…)
• L’image satellite IR ( 6/7)
Première
diapositive
16
Variations de l’humidité relative
• régulières : inverses de la température
T max.
T min.
100%
Humidité
maximale
Humidité
minimale
0%
• accidentelles : changement de masses d’air
Première
diapositive
17
Les transformations adiabatiques (1/5)
• Avec une quantité de vapeur fixe et en l’absence de
condensation  l’air atmosphérique est considéré comme
un gaz parfait évoluant sans échange de chaleur avec le
milieu extérieur (évolution adiabatique ou isentropique)
• La quantité de vapeur étant relativement faible en regard
de celle de l’air sec, l’air atmosphérique évolue comme de
l’air sec suivant la loi :
Ra
dT
R dP
= a
T
CPa P
T

=
T
(
P
P0
)
CPa
0
Ra constante de l’air sec = 287,05 SI
Cpa chaleur massique à pression constante de l’air sec = 1005 SI
Première
diapositive
18
Les transformations adiabatiques (2/5)
• le gradient adiabatique sec
dp = -.g.dz 
dT
R -.9,8.dZ
dT
9,8

= a
=T
CPa .Ra.T
dZ
1005
soit dT/dZ = 1°/100m (3°/1000’)
• représentation graphique
Z
Z=500m
adiabatique
1°/100m
Z=100m
t
t=6°C
Première
diapositive
t=10°C
19
Les transformations adiabatiques (3/5)
• Saturation et condensation par détente
Z
pente adiabatique plus faible
rw(pc,tc) = r0
U = 100%
Zc, pc
saturation
libération de chaleur
condensation
C
r0
rw(p,t)< rw(p0,t0)
U
Z, p
r0
rw(p0,t0)
U0
Z0, p0
t0
Le gradient adiabatique saturé en °C/100m 
t
ou gradient pseudo-adiabatique (fonction de p et t).
Il est inférieur ou égal au gradient adiabatique sec en
valeur absolue
Première
diapositive
t(°C) -60 -40 -20
0
20
p
200
0,97 0,88
400
0,74
700
0,82 0,58
1000
0,86 0,65 0,42
l’émagramme
20
Les transformations adiabatiques (4/5)
• Saturation et condensation par détente (exemple)
rw(850,4°) = 6g/kg
r0 = 7g/kg  6g/kg
U = 100%
condensation de 1gliq/kg
p
r0 = 7g/kg
rw(920,7.5°) = 7g/kg
U = 100%
p=850
pc=920
r0=7g/kg
rw(950,11°) = 8,5g/kg
U=82%
C
p=950
r0 =7g/kg
rw(1000,15°)=10,8g/kg
U0=70%
p0=1000
4° 7,5°
Première
diapositive
11°
15°
t
Exemple sur émagramme
21
Les transformations adiabatiques (5/5)
• Processus de condensation par ascendance (détente)
Ascendance orographique
Ascendance convective
Ascendance dépressionnaire
++++++
Ascendance par turbulence
vent
D
Première
diapositive
22
Les transformations isobares (1/3)
• Le refroidissement nocturne en surface
Conditions initiales
P Z
t = 16°C
td = 14°C
rw = 11,5
r = 10,1
isotherme
condensation
saturation
isobare
t = 14°C
= td
700t = 12° = td
rw = 8,9 = r
rw = 10,1 = r
+(10,1-8,8) =1,3gliq
7,7
P=1000 hPa
t = 20°C
rw = 14,9 g/kg
8,8
10,1
11,5
14,9 rw g/kg
13,1
td = 14°C
3
1000
2
X
td
r= 10,1 g/kg
1
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 T°C
Première
diapositive
t
23
Les transformations isobares (2/3)
• Processus de condensation par refroidissement en surface
– ciel clair, sol continental
z
vent calme
rosée, gelée blanche
t
sol
vent faible
z
brouillard de rayonnement
x10m
sol
Première
diapositive
t
24
Les transformations isobares (3/3)
• Advection d’air chaud et humide sur un sol froid
brouillard d’advection
z
5 à 10kt
x100m
t
Première
diapositive
25
Autres processus de saturation (1/2)
• Apport de vapeur d ’eau
ew
condensation
ew
saturation
apport de vapeur
état initial
e
td
t
t
température eau > température air
brouillard d’évaporation
Première
diapositive
brouillards/ST «frontaux»
26
Autres processus de saturation (2/2)
• Par mélange
ew
e2
em=ew
e1
t1
océan atlantique
tm
ESPAGNE
t
t2
mer
méditerranée
MAROC
ALGERIE
brouillard
Première
diapositive
27
Stabilité et instabilité verticale (1/4)
• deux grands types de mouvements verticaux affectent
l’atmosphère :
ascendance dépressionnaire
– à l’échelle synoptique soulèvement en bloc d’une
masse d’air (Vz # cm/sdm/s)
D
– à l’échelle aérologique mouvements rapides et
variables de «bulles»
atmosphériques (Vz # m/s)
ascendance convective
++++++
Première
diapositive
28
Stabilité et instabilité verticale (2/4)
• Equilibre vertical
Fa = ma.g = a .V.g
P
air ambiant
P,Ta, a
Particule
P, Tp, p
RaTa
Fa
T

=
=
=
=1
T
P
a
pa

p
R aT
p
<1
p = mp.g = p.V.g
air ambiant
P0,T0, 0
particule
P0, T0, 0
Première
diapositive
>1
1
3
2
p
2
ne revient pas à sa position initiale :
instable
revient à sa position initiale : stable
3
reste à sa position : indifférent
1
29
Stabilité et instabilité verticale (3/4)
• comparaison de la température prise par une particule
amenée à un niveau donné, par rapport à la température
ambiante
– évolution d’une particule «humide» sans changement d’état
z
z
instable
z
Tp =Ta
Tp <Ta
Ta <Tp
stable
stable
Tp <Ta
instable
T
Ta <Tp
Tp =Ta
indifférent
T
T
– évolution d’une particule saturée et qui le reste
• idem en changeant adiabatique par pseudo-adiabatique
Première
diapositive
30
Stabilité et instabilité verticale (4/4)
• En résumé
Structure thermique
Z
Particule saturée
Ta<Tp instabilité
Particule «sèche»
Tp<Ta stabilité
Quelque soit l’état
saturé ou non
Ta < Tp
 instabilité
instabilité absolue
Première
diapositive
instabilité
conditionnelle
Quelque soit l’état
saturé ou non
Tp < Ta
 stabilité
stabilité absolue
t
31
L’EAU DANS L’ATMOSPHERE
Première
diapositive
FIN