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LES NUAGES. Quest-ce quun nuage? Cest des gouttelettes deau et des cristaux de glace que lon retrouve en très grande concentration (environ 1000 cm -3.

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1 LES NUAGES

2 Quest-ce quun nuage? Cest des gouttelettes deau et des cristaux de glace que lon retrouve en très grande concentration (environ 1000 cm -3 ) Leur diamètre est si petit quils peuvent demeurer en suspension dans lair (1/100 ième de mm). Les nuages produisent la précipitation et sont dune grande importance dans la régulation du climat.

3 Très petit une gouttelette de nuage! Leur diamètre varie de 4 à 100 m (1 m = 0,001 mm)

4 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

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6 Les phases de leau Condensation/évaporation: pour T > C Fusion: pour T > 0 0 C; Gel: pour 0 < T < C Déposition/sublimation: pour T < 0 0 C déposition

7 Lénergie nécessaire au changement de phase FUSION (glace liquide): 0,3337 · 10 6 J kg -1 SUBLIMATION (glace gaz): 2,8345 · 10 6 J kg -1 ÉVAPORATION (liquide gaz): 2,5008 ·10 6 J kg -1 Chaleur latente Ex: la fonte de la glace la fraîcheur ressentie lété près des arrosoirs orages 1 J = travail (énergie) nécessaire pour déplacer de 1 mètre un objet dun poids de 1 Kg

8 Lhumidité Lhumidité représente la quantité de vapeur deau contenue dans lair. La quantité de vapeur deau quun volume peut contenir est finie. Plus la température dun volume est élevée, plus il peut contenir de vapeur deau Lorsque la quantité de vapeur deau a atteint sa valeur maximale (correspondant à une certaine température), le volume est alors saturé.

9 Lhumidité relative Cest le rapport de la quantité de vapeur deau contenu dans un volume sur la quantité maximale que ce volume peut contenir Pour une même quantité dhumidité, HR varie en fonction de T

10 Évaporation/Condensation Saturation: le taux de condensation = le taux dévaporation Sous-saturation: le taux de condensation < le taux dévaporation Sursaturation: le taux de condensation > le taux dévaporation g/m 3 g/kg

11 Relation entre e s (T) vs T

12 Température du point de rosée Cest la température à laquelle lair doit être refroidi afin que le volume devienne saturé.

13 Comment produire un nuage? 3 solutions: Ajouter de la vapeur deau Diminuer la température Mélanger 2 masses dair de T différentes Solution #1: Évaporation au-dessus des mers et plans deau

14 Baisse de la température Refroidissement radiatif Refroidissement pas ascension (adiabatique)

15 Refroidissement radiatif: Les brouillards Les brouillards radiatifs La fumée de mer Les brouillards de précipitation

16 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 dair humide nuits claires (sans nuage) Endroits favorisés: villes et campagnes côtières champs dagriculture/forêts vallée

17 T T Initiation du brouillardPropagation verticale du brouillard F LW

18 Exemple: vallée

19 Fumée de mer Air froid qui est advecté au-dessus dun plan deau « chaude ».

20 Vent froid et humide Eau relativement chaude F sh F lh Fumée de mer: ajout de H 2 O + mélange dair Ce processus est plus efficace si T < 0. Pourquoi?

21 FUMÉE DE MER (résumé des processus de formation) Air froid et humide au-dessus dun plan deau chaude formation dune mince couche de brouillard au contact de lair froid et de leau chaude. Air près de la surface de leau continue de se réchauffer et de shumidifier de telle sorte quelle demeure saturée. Instabilité résultant du réchauffement de lair en surface provoque un mélange vertical de lair. Condensation se produit au-dessus (ce qui donne laspect de fumée) par mélange dair de T et dhumidité différentes.

22 Refroidissement par décompression Lorsquune parcelle dair sélève dans latmosphère, sa pression sajuste à la pression ambiante et alors elle se détend, cest-à-dire que son volume augmente. En absence dapport 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 (1 ière loi de la thermodynamique) que le taux de refroidissement dans de telle condition est denviron 10 0 C/km.

23 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 dair. Dans ce cas, le taux de refroidissement varie entre 5 et 7 o C/km

24 Refroidissement par dilatation

25 La stabilité Stable: lobjet déplacé retourne à son emplacement dorigine. Instable: lobjet déplacé séloigne de son emplacement dorigine.

26 Stabilité de latmosphère Instable stable neutre

27 La stabilité absolue

28 Linstabilité absolue

29 Linstabilité conditionnelle

30 Comment peut-on forcer une parcelle dair à sélever dans latmosphère Convergence: montagnes

31 Comment peut-on forcer une parcelle dair à sélever dans latmosphère Convergence: pente dun continent

32 Comment peut-on forcer une parcelle dair à sélever dans latmosphère Dépression Front Creux

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34 Les types de nuages

35 Exercices Si une masse dair chaud et humide est advecté au-dessus dun sol très froid, y aura-t-il formation de nuages? Si de lair glacial et très humide est advecté au-dessus dun sol plus chaud, y aura-t-il formation de nuages?

36 Formation de la précipitation aérosols Gouttelettes deauCristaux de glace PluieNeigeGrêleGrésil Verglas Temps de formation de la précipitation: environ 15 minutes!

37 Goutte de pluie (2 mm) Gouttelette de nuage (20 m) Aérosol (0,2 m)

38 Les aérosols Les aérosols sont des particules solides et/ou liquides de tailles allant de 0,01 m à quelques dizaines de m en suspension dans lair. poussières bactéries sel de mer sulphates composés organiques

39 Aérosol comme noyau de condensation Les aérosols facilitent la nucléation des gouttelettes car ils offrent une surface sur laquelle leau peut se condenser, réduisant ainsi la force de pression externe nécessaire au maintien de la cohésion de la gouttelettes.

40 La formation dune gouttelette deau Lors de la formation dune gouttelette, les molécules deau à la surface subissent une force nette vers lintérieur de la gouttelette (P ext – P int ) 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 P ext doit augmenter afin de garder la cohésion r 2 (p ext -p int ) V g

41 La formation dune gouttelette deau Lair doit être sursaturé afin quune gouttelette puisse se former!

42 Aérosols

43 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 m

44 Croissance par collision

45 R > 20 m pour être efficace Gouttes-gouttes : bonne efficacité Gouttes-cristaux: pas très bonne efficacité Croissance par collision 20 m 500 m

46 La croissance par collision est efficace si le nuage est épais et que le mouvement vertical ascendant dans le nuage est élevé.

47 Comment expliquer alors que certains nuages de faible extension verticale produisent de la précipitation ?

48 Processus de Bergeron Les gouttelettes deau sévaporent et cette vapeur deau se dépose sur les cristaux de glace permettant à ces derniers de croître plus rapidement.

49 La pression partielle de H 2 O(g) saturante par rapport à leau est plus grande que la pression partielle de H 2 O(g) saturante par rapport à la glace.

50 -15 o C Cette différence est maximale à environ –15 o C

51 Si e < e si sublimation des cristaux et évaporation des gouttelettes Si e > e sw condensation sur gouttelettes et déposition sur cristaux Si e si < e < e sw évaporation des gouttelettes et déposition sur cristaux

52 Effet Bergeron e si < e < e sw évaporation des gouttelettes et déposition Transfert de leau liquide vers la glace Grossissement rapide des cristaux car ils sont peu nombreux. Cette situation perdure tant et aussi longtemps quil 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 0 o C. Ce processus est le plus efficace vers –15 o C.

53 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).

54 Types de précipitation neige pluie grésil verglas grêle

55 pluie neige

56 Grésil Verglas

57 Types de cristaux vs température Temperature (°C)Forme 0 to -4disques minces -4 to -6aiguilles -6 to -10colonnes -10 to -12disques -12 to -16dendrites -16 to -22disques -22 to -40Aiguilles, col. Fréquemment, les cristaux sont agglomérés et donc nont pas de formes très définies.

58 Les systèmes convectifs: orage 1.Les orages de masse dair 2.Les orages supercellulaires et multicellulaires

59 Lorage de masse dair Les ingrédients pour le développement dorages de masse dair sont: 1.Réchauffement diurne du sol important 2.Air humide en surface 3.Instabilité conditionnelle ou absolue en altitude

60 Stages de développement (orage de masse dair) cumulus maturedissipation

61 Pourquoi fait-il plus frais lors dun orage? Entraînement dair sec dans le nuage évaporation refroidissement courant descendant jusquau sol Fonte de la neige/grêle au niveau où T>0 o C fusion (absorption de chaleur latente) refroidissement courant descendant jusquau sol

62 Les orages supercellulaires

63 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 larrière peut produire des tornades

64 Autres types de systèmes convectifs Les orages multi-cellulaires (lignes de grain) Les complexes convectifs à méso-échelle

65 FORMATION DE LA GRÊLE

66 Coupe transversale dun grêlon

67 La grêle

68 Climatologie orages intenses

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70 Tornades Petit tube tourbillonnant dair de diamètre inférieur à 1 km Généré à lintérieur des supercellulles (mésocyclone) Vents pouvant atteindre 500 km/h! Vitesse de déplacement: entre 30 et 50 km/h

71 Le mésocyclone: Les tourbillons dans les orages intenses

72 Les tornades: la formation Intensification du mésocyclone à lintérieur dune supercellulle. Par conservation du moment angulaire: si v augmente r diminue (L = m v r) Si v augmente la pression à lintérieur du tube baisse Si r diminue le tube de tourbillon sallonge

73 Climatologie: Tornades

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76 Echelle de Fujita ÉchelleDommagesVitesse du Vent (km/h) Description F0Légers Antennes de TV tordues; petites branches d'arbres cassées; caravanes déplacées F1Modérés Caravanes renversées;arbres arrachés; dépendances soufflées F2Importants Toitures soulevées; objets légers transformés en projectiles; structures légères brisées F3Sévères Murs de maisons renversés; arbres cassés dans les forêts; projectiles de grande dimension F4 Dévastateur s Maisons bien construites rasées; gros projectiles; quelques arbres emportés par le vent F5Maximum Fortes structures envolées; arbres emportés par le vent; projectiles à grande vitesse.

77 Dangereuses tornades…


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