L eau dans l atmosphere
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L’EAU DANS L’ATMOSPHERE - PowerPoint PPT Presentation


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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.

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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
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

  • L’EAU DANS L’ATMOSPHERE

    QUITTER


    La place de l eau dans l atmosph re

    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)

    La place de l’eau dans l’atmosphère


    Cycle de l eau dans le syst me terre atmosph re

    ATMOSPHERE

    0,035%

    23

    77

    16

    7

    84

    Transport horizontal

    23

    16

    7

    77

    Ecoulement de surface

    84

    CONTINENTS

    97% d'origine

    océanique

    3% restant

    (eau douce)

    rivières : 0,03%

    couvert végétal : 0,06%

    lacs : 0,3%

    eau souterraine (<800m) : 11%

    eau souterraine (800 - 4000m) : 14%

    icebergs et glaciers : 75%

    Répartition de la totalité de l'eau

    disponible sur Terre

    Cycle de l’eau dans le système terre atmosphère

    Précipitations

    sur terre

    Précipitations

    dans

    l'océan

    Evaporation

    terrestre

    Evaporation

    océanique

    100 unités = moyenne annuelle globale des précipitations 85,7 cm


    Les 3 tats et les changements d tats

    sublimation

    évaporation

    fusion

    congélation

    condensation

    condensation solide

    Les 3 états et les changements d’états

    Absorption de chaleur

    0,334.106J/Kg

    2,5.106J/Kg

    SOLIDE

    LIQUIDE

    GAZ

    Libération de chaleur

    Chaleur latente à 0°C et 1013 hPa


    Quilibre entre les 3 tats

    P vapeur

    F

    V

    S

    température

    Équilibre entre les 3 états

    LIQUIDE

    1013,25 hPa

    SOLIDE

    6,15 hPa

    VAPEUR

    0°C

    100°C

    V courbe de vaporisation ou courbe de tension saturante de la vapeur


    La tension de vapeur et la tension saturante

    1

    2

    3

    Air sec+vapeur saturante

    P=Pa+ew(t)

    Air sec

    P=Pa

    Air sec + vapeur

    P=Pa+e

    La tension de vapeur et la tension saturante


    La courbe de tension saturante de la vapeur

    P vapeur

    3

    2

    1

    température

    La courbe de tension saturante de la vapeur

    Air saturé

    e=ew

    LIQUIDE

    Air humide

    e

    VAPEUR

    Air sec

    e=0

    t


    Quelques valeurs de e w

    P vapeur (hPa)

    56,2

    42,4

    31,7

    23,4

    17,0

    12,3

    8,7

    6,1

    Température °C

    0 5 10 15 20 25 30 35

    Quelques valeurs de ew

    ew est une fonction croissante de la température


    Les retards aux changements d tat 1 3

    vapeur  liquide : la sursaturation

    P vapeur

    sursaturation

    température

    Les retards aux changements d'état(1/3)

    LIQUIDE

    VAPEUR

    e>ew

    ew

    VAPEUR

    t

    Moyennant la présence de noyaux de condensation, la sursaturation n’existe pratiquement pas dans l ’atmosphère


    Les retards aux changements d tat 2 3

    liquide  solide : la surfusion

    P vapeur

    LIQUIDE

    SOLIDE

    Liquide surfondu

    VAPEUR

    température

    0°C

    Les retards aux changements d'état (2/3)

    Surfusion généralisée dans les nuages entre 0 et -10°C/-15°C


    Les retards aux changements d tat 3 3

    l’équilibre vapeur / liquide surfondu

    P vapeur

    LIQUIDE

    SOLIDE

    VAPEUR

    température

    0°C

    Les retards aux changements d’état (3/3)

    Liquide surfondu

    ew

    ei

    t<0

    Courbe de tension saturante (ew) de la vapeur prolongée pour les températures négatives ew(t) > ei(t)


    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)

    air sec (ma)

    +

    vapeur saturante (mv)

    e

    ew

    rw = 0,622

    r = 0,622

    p-e

    p-ew

    Teneur en vapeur d’eau (1/4)

    2

    rw = mvsat/ma = rapport de mélange saturant ou maxi

    r = mv/ma = v/ a

    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


    Teneur en vapeur d eau 2 4

    P vapeur (hPa)

    56,2

    42,4

    31,7

    23,4

    17,0

    12,3

    8,7

    6,1

    Température °C

    0 5 10 15 20 25 30 35

    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

    e=17 hPa

    e=ew(td)

    td

    t


    Teneur en vapeur d eau 3 4

    P vapeur (hPa)

    U = 100 = 100 = 100 = 40%

    e

    ew(t)

    56,2

    42,4

    17,4

    31,7

    42,4

    23,4

    ew(td)

    17,0

    12,3

    8,7

    ew(t)

    6,1

    Température °C

    0 5 10 15 20 25 30 35

    r

    U # 100

    rw

    Teneur en vapeur d’eau (3/4)

    • L’humidité relative U

      • rapport de la tension réelle de la vapeur à la tension saturante

    ew=42,4 hPa

    e=17 hPa

    td

    t


    Teneur en vapeur d eau 4 4
    Teneur en vapeur d’eau (4/4)

    • L’humidité spécifique

      • rapport de la masse de vapeur à la masse d’air atmosphérique

    • L’humidité absolue

      • rapport de la masse de vapeur au volume d’air atmosphérique

    • 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


    Mesure de la teneur en vapeur

    t

    t’w

    Mesure de la teneur en vapeur

    • Le psychromètre

      • e = ew(t) - AP(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)


    Variations de l humidit relative

    T max.

    T min.

    100%

    Humidité

    maximale

    Humidité

    minimale

    0%

    Variations de l’humidité relative

    • régulières : inverses de la température

    • accidentelles : changement de masses d’air


    Les transformations adiabatiques 1 5

    Ra

    dT

    Ra

    dP

    T

    (

    P

    CPa

    )

    =

    =

    T

    CPa

    P

    T0

    P0

    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 constante de l’air sec = 287,05 SI

    Cpa chaleur massique à pression constante de l’air sec = 1005 SI


    Les transformations adiabatiques 2 5

    -.9,8.dZ

    dT

    9,8

    =

    = -

    .Ra.T

    dZ

    1005

    dp = -.g.dz 

    Z

    dT

    Ra

    T

    CPa

    adiabatique

    1°/100m

    Z=500m

    Z=100m

    t

    t=10°C

    Les transformations adiabatiques (2/5)

    • le gradient adiabatique sec

    soit dT/dZ = 1°/100m (3°/1000’)

    • représentation graphique

    t=6°C


    Les transformations adiabatiques 3 5

    Z

    t

    Les transformations adiabatiques (3/5)

    • Saturation et condensation par détente

    pente adiabatique plus faible

    libération de chaleur

    rw(pc,tc) = r0

    U = 100%

    saturation

    condensation

    C

    Zc, pc

    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 

    ou gradient pseudo-adiabatique (fonction de p et t). Il est inférieur ou égal au gradient adiabatique sec en valeur absolue

    l’émagramme


    Les transformations adiabatiques 4 5

    p

    p=850

    pc=920

    p=950

    t

    p0=1000

    7,5°

    11°

    15°

    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

    r0 = 7g/kg

    rw(920,7.5°) = 7g/kg

    U = 100%

    r0=7g/kg

    rw(950,11°) = 8,5g/kg

    U=82%

    C

    r0 =7g/kg

    rw(1000,15°)=10,8g/kg

    U0=70%

    Exemple sur émagramme


    Les transformations adiabatiques 5 5

    vent

    D

    Les transformations adiabatiques (5/5)

    • Processus de condensation par ascendance (détente)

    Ascendance orographique

    Ascendance convective

    + + + + + +

    Ascendance dépressionnaire

    Ascendance par turbulence


    Les transformations isobares 1 3

    isobare

    P

    Z

    isotherme

    Isorw

    700

    3

    2

    1

    1000

    T°C

    10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

    rw g/kg

    7,7 8,8 10,1 11,5 13,1 14,9

    Les transformations isobares (1/3)

    • Le refroidissement nocturne en surface

    Conditions initiales

    condensation

    t = 12° = td

    rw = 8,9 = r

    +(10,1-8,8) =1,3gliq

    saturation

    t = 14°C = td

    rw = 10,1 = r

    t = 16°C

    td = 14°C

    rw = 11,5

    r = 10,1

    P=1000 hPa

    t = 20°C

    rw = 14,9 g/kg

    td = 14°C

    r= 10,1 g/kg

    X

    td

    t


    Les transformations isobares 2 3

    z

    z

    t

    t

    sol

    x10m

    sol

    Les transformations isobares (2/3)

    • Processus de condensation par refroidissement en surface

      • ciel clair, sol continental

    vent calme

    rosée, gelée blanche

    vent faible

    brouillard de rayonnement


    Les transformations isobares 3 3

    z

    x100m

    5 à 10kt

    t

    Les transformations isobares (3/3)

    • Advection d’air chaud et humide sur un sol froid

    brouillard d’advection


    Autres processus de saturation 1 2

    ew

    t

    Autres processus de saturation (1/2)

    • Apport de vapeur d ’eau

    condensation

    ew

    saturation

    apport de vapeur

    e

    état initial

    td

    t

    brouillard d’évaporation

    brouillards/ST «frontaux»


    Autres processus de saturation 2 2

    ew

    t

    ESPAGNE

    océan atlantique

    mer

    méditerranée

    MAROC

    A

    L

    G

    E

    R

    I

    E

    brouillard

    Autres processus de saturation (2/2)

    • Par mélange

    e2

    em=ew

    e1

    t1

    tm

    t2


    Stabilit et instabilit verticale 1 4

    D

    + + + + + +

    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)

    • à l’échelle aérologique - mouvements rapides et variables de «bulles» atmosphériques (Vz # m/s)

    ascendance convective


    Stabilit et instabilit verticale 2 4

    Fa

    a

    Tp

    =

    =

    =

    Ta

    p

    p

    Fa = ma.g = a .V.g

    P

    RaTa

    air ambiant

    P,Ta, a

    Particule

    P, Tp, p

    P

    RaTp

    p = mp.g = p.V.g

    1

    ne revient pas à sa position initiale : instable

    particule

    P0, T0, 0

    air ambiant

    P0,T0, 0

    2

    revient à sa position initiale : stable

    3

    reste à sa position : indifférent

    Stabilité et instabilité verticale (2/4)

    • Equilibre vertical

    >1

    1

    =1

    3

    <1

    2


    Stabilit et instabilit verticale 3 4

    z

    z

    z

    instable

    stable

    stable

    instable

    T

    T

    T

    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

    Tp =Ta

    Tp <Ta

    Ta <Tp

    Tp =Ta

    Tp <Ta

    indifférent

    Ta <Tp

    • évolution d’une particule saturée et qui le reste

      • idem en changeant adiabatique par pseudo-adiabatique


    Stabilit et instabilit verticale 4 4

    Z

    adiabatique

    pseudo-adiabatique

    t

    Stabilité et instabilité verticale (4/4)

    • En résumé

    Structure thermique

    Particule saturée

    Ta<Tp instabilité

    Particule «sèche»

    Tp<Ta stabilité

    instabilité

    conditionnelle

    Quelque soit l’état saturé ou non

    Ta < Tp

     instabilité

    instabilité absolue

    Quelque soit l’état saturé ou non

    Tp < Ta

    stabilité

    stabilité absolue


    L eau dans l atmosphere1

    L’EAU DANS L’ATMOSPHERE

    FIN

    Première

    diapositive


    ad