L’humidité de l’air, les nuages et la précipitation

1. 2011 Formation en météorologie L’humidité de l’air, les nuages et la précipitation Références principales : Malardel 2009, Fondamentaux de Météorologie, ch 9 Ahrens 2009, MeteorologyToday, pp. 89-139

2. L’eau l’extraordinaire • La seule substance sur la Terre présente dans ses trois phases à l’état naturel: solide (glace), liquide (eau), et gazeuse (vapeur d’eau) • La molécule d’eau possède un dipôle électrique permanent, créant des liaisons hydrogèneentre les molécules SCA-2611 Introduction à la météorologie

3. L’eau l’extraordinaire • Les liens hydrogène aident les molécules d’eau à «se tenir» ensemble plus facilement, ce qui confère à l’eau un nombre de propriétés tout à fait uniques : • Ils permettent à la molécule d’exister à l’état liquide aux températures et pressions communément rencontrées dans l’atmosphère • Il faut beaucoup d’énergie pour changer la température de l’eau (on dit qu’elle possède une grande capacité calorifique). • Beaucoup de chaleur peut être stockée dans l’eau liquide (les océans) SCA-2611 Introduction à la météorologie

4. L’eau l’extraordinaire • Les énergies impliquées dans les changements de phase sont très élevées : • 2,5 millions de joules pour évaporer 1 petit litre d’eau • L’eau possède une grande tension de surface(effets de capillarité) • La phase solide de l’eau – la glace – flotte ! SCA-2611 Introduction à la météorologie

5. La glace flotte ! La molécule d’eau et ses trois phases SCA-2611 Introduction à la météorologie

6. Évaporation, condensation et saturation • En phase liquide, les mouvements des molécules individuelles sont assez faibles pour que les liaisons hydrogène forcent les molécules à « coller » entre elles, mais assez forts pour que la masse d’eau reste « mouvante » et non cristallisée comme la glace. • En phase gazeuse, les liaisons hydrogènes sont inexistantes et les molécules se déplacent librement • À la surface d’un volume d’eau liquide, il y a toujours une fraction des molécules en phase liquide qui, au fil des collisions avec leurs voisines, acquièrent une énergie suffisante, et dans la bonne direction, pour échapper à l’attraction des liaisons hydrogène et passer à la phase gazeuse. C’est l’évaporation SCA-2611 Introduction à la météorologie

7. Évaporation, condensation et saturation • De la même manière, il existe toujours une fraction des molécules dans la phase gazeuse possédant une faible énergie qui « plonge » dans la phase liquide, devenant emprisonnée par les liaisons hydrogènes des molécules « liquides ». C’est la condensation • Dans un contenant fermé, les taux d’évaporation et de condensation arrivent éventuellement à l’équilibre : c’est la saturation.Cet équilibre est fonctionuniquement de la température • Aux pressions et températures communes, la vapeur d’eau et l’eau liquide coexistent donc parfaitement bien et, à la saturation, la vapeur d’eau a atteint sa pression saturante. SCA-2611 Introduction à la météorologie

8. Évaporation et condensation SCA-2611 Introduction à la météorologie

9. Comment s’exprime la vapeur d’eau dans l’air • Humidité absolue (kg/m3)(densité de la vapeur d’eau – non utile car sa valeur change avec le volume pour une même masse de vapeur) • Pression partielle de vapeur d’eau (hPa) • Humidité spécifique (g/kg) • Masse de vapeur d’eau par masse d’air totale • Humidité relative (%) • Taux d’humidité de l’air (masse de vapeur d’eau dans l’air/ masse de vapeur s’il était en équilibre avec l’eau liquide) • Point de rosée (°C) • Température à laquelle une parcelle d’air humide doit être refroidie pour atteindre la saturation de sa vapeur d’eau – c’est la température à laquelle on forme du brouillard ou du nuage SCA-2611 Introduction à la météorologie

10. Humidité absolue SCA-2611 Introduction à la météorologie

11. Humidité spécifique SCA-2611 Introduction à la météorologie

12. SCA-2611 Introduction à la météorologie

13. La pression partielle et de saturation • Lapression atmosphérique est la force par unité de surface exercée par le poids de l'air au-dessus de la surface. • Lapression partielle est la pression qu’exerce une seule espèce gazeuse du mélange air atmosphérique. • Sachant que l’air est composé d’oxygène (~21%) et d’azote (~78%), on sait qu’à la pression standard, soit environ 1013 hPa, la répartition des pressions partielles est : Dans les premiers 100 km de l'atmosphère terrestre, les pressions partielles de l’azote et de l’oxygène dépendent uniquement de la pression totale. AZOTE (N2) ~ 790 hPa OXYGÈNE (O2) ~ 213 hPa SCA-2611 Introduction à la météorologie

14. La pression partielle et de saturation • Lapression partielle de la vapeur d'eau varie dans le temps et dans l'espace en relation avec les conditions météorologiques. • Lapression de saturation de la vapeur d'eau, es, dépend uniquement de la température et est atteinte lorsque les taux d’évaporation et de condensation sont égaux SCA-2611 Introduction à la météorologie

15. Discussion Synergie, pages 247 et 248 L’air est un fluide compressible, c’est-à-dire qu’il est formé de molécules qui sont éloignées les une des autres. À pression constante, l’espace entre les molécules est plus grand lorsque la température est élevée que lorsque la température est basse. vrai faux En raison du plus grand espace entre les molécules d’air, plus la température est élevée, plus l’air peut contenir de vapeur d’eau, et ce, jusqu'à ce qu’il atteigne sa quantité de vapeur maximale. … quand l’air chaud et humide se refroidit, il atteint une température à laquelle il ne peut plus retenir la quantité de vapeur d’eau qu’il contient. La vapeur d’eau se condense alors et l’air expulse sont surplus d’eau sous forme de microgouttelettes (ou de cristaux qui se déposent …) faux SCA-2611 Introduction à la météorologie

16. Les changements de phase Les changements de phase dans l’atmosphère sont la base des phénomènes météorologiques tels que la formation de nuages, de brouillard et de précipitation. CHALEUR ABSORBÉE (transformation endothermique) Fusion Évaporation Solide Solidification Condensation Liquide Vapeur Déposition CHALEUR DEGAGÉE (transformation exothermique) SCA-2611 Introduction à la météorologie

17. Mesures de l’humidité dans l’air LA QUANTITÉ DE VAPEUR D’EAU DANS L’AIR masse de vapeur d’eau masse totale de l’air L’humidité spécifique = LE NIVEAU DE SATURATION DE L’AIR pression partielle de vapeurpression de vapeur saturante L’humidité relative = Le point de rosée = la température à laquelle l’air est refroidi sans changer la quantité de vapeur d’eau dans l’air pour atteindre une humidité relative de 100 % (saturation) SCA-2611 Introduction à la météorologie

18. La pression de vapeur QU’EST-CE QU’UNE PARCELLE OU PARTICULE D’AIR QU’EST-CE QUE LA PRESSION PARTIELLE DE VAPEUR ? Vapeur d’eau Azote Pression totale = pression due à l’azote + pression due à l’oxygène + pression due à la vapeur d’eau Oxygène QU’EST-CE LA PRESSION DE VAPEUR SATURANTE ? La pression à laquelle l’eau ou la glace est en équilibre avec la vapeur d’eau dans un volume donné. Parcelle d’air SCA-2611 Introduction à la météorologie

19. Vapeur d’eau Eau liquide Glace Autres… La pression de vapeur: suite Y A-T-IL UNE DIFFÉRENCE ENTRE LA PRESSION DE VAPEUR SATURANTE PAR RAPPORT À L’EAU ET À LA GLACE ? 1er RAPPEL: Parcelle d’air Liquide Glace 2ième RAPPEL: Changement de phase Température = -15°C Sublimation = solide vapeur Évaporation= liquide vapeur SCA-2611 Introduction à la météorologie

20. Qu'est-ce qu'un nuage? SCA-2611 Introduction à la météorologie

21. Qu’est-ce qu’un nuage? • Un nuage est un amas de gouttelettes d’eau et de cristaux de glace en très grande concentration (environ de 100 à 500 par cm3) • Les gouttelettes et les cristaux ont une taille typique de 0,01 mm et sont si légers qu’ils demeurent en suspension dans l’air (par les molécules d’air elles-mêmes !) • Les nuages stockent l’eau dans l’atmosphère, produisent la précipitation et sont d’une importance capitale dans la régulation du climat. • Les nuages réfléchissent la majeure partie des rayons solaires incidents et provoquent un climat beaucoup plus frais qu’en leur absence (environ 15°C) SCA-2611 Introduction à la météorologie

22. Le degré d’humidité dans l’air influence la formation de nuages. L’état de l’atmosphère dans lequel les nuages se forment influence sa forme Les nuages SCA-2611 Introduction à la météorologie

23. Mouvement de l’air • l’air se refroidit en montant dans l’atmosphère • l’humidité relative augmente • lorsque l’humidité relative est proche de 100% des gouttelettes d’eau se forment en se condensant sur des impuretés et … • un nuage est formé! • Quels sont les mécanismes qui forcent l’air à monter pour ainsi former des nuages ? Volume augmente et se refroidit Volume diminue et se réchauffe Parcelle d’air SCA-2611 Introduction à la météorologie

24. La formation de nuages LA RENCONTRE DE 2 MASSES D’AIR LA CONVECTION LA TOPOGRAPHIE • La surface de la terre est réchauffée par le soleil. • L’air chaud monte et se refroidit en montant. • La rencontre de différentes masses d’air force l’air à se déplacer verticalement. • L’air monte et se refroidit en montant. • La relief de la terre force l’air à monter. • L’air se refroidit en montant. SCA-2611 Introduction à la météorologie

25. La formation de précipitation • 3 MÉCANISMES : • condensation • collisions et coalescence • formation de cristaux de glace Température diminue SCA-2611 Introduction à la météorologie

26. Condensation évaporation = condensation Pour une gouttelette d’eau pure, l’air doit être supersaturé afin d’atteindre un équilibre évaporation/condensation. Par contre, lorsque la gouttelette est formée sur d’impuretés, elle atteint son équilibre à une humidité relative beaucoup plus basse. Goutte d’eau pure évaporation = condensation Solution SCA-2611 Introduction à la météorologie

27. Collisions et coalescence Grosse gouttelette de nuage Grosse gouttelette de nuage capture les petites sur son passage Petites gouttelettes de nuage SCA-2611 Introduction à la météorologie

28. Les cristaux de glace : processus de Bergeron • Dans les nuages plus froids, les cristaux de glace sont formés : • par le gèlinstantané d’une goutte d’eau. • par le dépôt de vapeur d’eau sur une impureté. • La pression de vapeur saturée est plus faible pour la glace que pour l’eau. Ceci produit un flux de vapeur de la goutte d’eau à la glace et réduit la pression de vapeur par rapport à l’eau. SCA-2611 Introduction à la météorologie

29. Coexistence liquide glace à T < 0°C L’effet de Bergeron SCA-2611 Introduction à la météorologie

30. Les autres mécanismes … et capturer d’autres cristaux de glace sur leur passage. Les cristaux de glace croissent en capturant des gouttelettes de nuage… … ils peuvent aussi se briser en morceaux… SCA-2611 Introduction à la météorologie