La pression atmosphérique et l’origine des vents 2011 Formation en météorologie La pression atmosphérique et l’origine des vents Références principales : Malardel 2009, Fondamentaux de Météorologie, ch 2 et 3 Ahrens 2009, Meteorology Today, pp. 193-205 © 2010 Richard Harvey

Le concept de la pression et température Niveau moléculaire : force, par unité de surface, qu’un gaz exerce contre une surface en vertu des collisions aléatoires de ses molécules Cette force est la même dans toutes les directions puisque les trajectoires des molécules sont aléatoires : toute collision contre une surface donnée peut se faire dans toute les directions possibles Comme la pression, la température est reliée aux mouvements moléculaires, mais ici on parle de l’énergie de mouvement moyen des molécules sans regard aux collisions éventuelles contre une surface SCA-2611 Introduction à la météorologie

Le concept de la pression Si on augmente la vitesse des molécules en augmentant la température, on pourrait croire que la pression augmentera puisque les collisions seront plus violentes. Oui en partie, mais pas si on diminue la densité du gaz en question : Un gaz chaud mais peu dense peut donc exercer la même pression sur une surface que s’il était froid et dense Dans le premier cas, on a des molécules en moins grand nombre mais plus rapides, dans le second cas des molécules moins rapides mais plus nombreuses. Dans les deux cas, on a la même force moyenne due aux collisions, et donc la même pression. SCA-2611 Introduction à la météorologie

SCA-2611 Introduction à la météorologie La loi des gaz parfaits La pression, la température et la densité ou masse volumique d’un gaz comme l’air au températures et pressions caractéristiques de notre atmosphère sont en tout temps reliées entre elles par la loi des gaz parfaits : pression Densité ou masse volumique constante spécifique de l’air température En plus d’obéir à la loi des gaz parfaits, l’air de l’atmosphère terrestre subit une autre contrainte fondamentale : la gravité, qui attire l’air irrémédiablement vers le sol. SCA-2611 Introduction à la météorologie

La présence de la gravité Pourquoi alors l’atmosphère ne s’effondre-t-elle pas complètement au sol, à nos pieds ? L’atmosphère ajuste localement sa pression afin de soutenir son propre poids L’air au bas d’une colonne subit le maximum de poids de l’air au-dessus de celui-ci et donc doit avoir le maximum de pression pour soutenir ce poids L’air, disons, au milieu de la colonne n’a pas autant de poids à supporter contre la gravité (puisqu’il y a moins de masse au-dessus), et donc affichera une moins grande pression Dans les deux cas, il s’établit un équilibre entre la force de gravité qui pousse l’air vers le bas et la pression locale qui le pousse vers le haut : l’équilibre hydrostatique C’est pourquoi la pression barométrique à un niveau donné est définie comme étant égale au poids de la colonne d’air au-dessus de ce niveau À un emplacement donné , la pression barométrique diminue toujours avec la hauteur, puisque le poids à soutenir est toujours plus faible en altitude que près du sol SCA-2611 Introduction à la météorologie

Variation de la pression barométrique avec la hauteur SCA-2611 Introduction à la météorologie

Comment mesure-t-on la pression barométrique ? L’instrument standard servant à mesurer la pression atmosphérique est le baromètre à mercure. L’unité SI de pression atmosphérique est le pascal (Pa – force de 1 newton/m2) Sur les cartes météorologiques, on utilise l’hectopascal (hPa), ou 100 newtons/m2 SCA-2611 Introduction à la météorologie © 2010 Richard Harvey

Comment mesure-t-on la pression barométrique ? Le poids de la colonne de mercure vers le bas égalise celui de la colonne d’air qui la force vers le haut. La hauteur de la colonne de mercure à l’équilibre est donc une mesure de la pression atmosphérique. Une hauteur de mercure de 76 cm représente la pression atmosphérique standard, qui équivaut à 1013,25 hPa. Si la pression atmosphérique augmente, celle-ci poussera davantage sur la surface de mercure contenu dans la cuvette, ce qui fera monter la hauteur de la colonne de mercure. L’inverse se produit lorsque la pression atmosphérique diminue. SCA-2611 Introduction à la météorologie © 2010 Richard Harvey

Il faut tout ramener au même niveau ! Cette hauteur standard est le niveau moyen de la mer. La correction appliquée est de l’ordre de 10 hPa / 100 mètres de dénivellation (à température standard). Le résultat est une carte de la pression au niveau de la mer, et les lignes reliant les points ayant les mêmes valeurs de pression sont appelées des isobares. SCA-2611 Introduction à la météorologie

SCA-2611 Introduction à la météorologie L’origine du vent Le vent est le mouvement macroscopique de l’air dans une direction donnée Le vent, une fois créé, peut subir plusieurs forces qui l’influencent en grandeur et direction Mais l’origine du vent est unique : C’est la différence de pression entre deux parcelles d’air qui force l’air de la parcelle ayant la plus grande pression à se mouvoir spontanément vers la parcelle ayant la pression la moins grande. Cette différence de pression se nomme aussi gradient de pression Cette force génératrice du vent s’appelle : force du gradient de pression L’air se déplace toujours (au départ) d’une région de haute pression vers une région de basse pression C’est là encore la conséquence des mouvements aléatoires des molécules de l’air ! SCA-2611 Introduction à la météorologie

Comment crée-t-on des gradients de pression ? Nous nous attarderons à la création des vents horizontaux Les vents verticaux sont toujours très faibles car la gravité s’oppose toujours et annule presque complètement vers le bas le gradient vertical de pression vers le haut Pour générer un vent horizontal, il faut créer un gradient de pression horizontal C’est dans ce contexte que l’on parle des régions de hautes et basses pression : différences de pression dans un même plan horizontal Puisque nous avons vu que la pression à un niveau donné est le poids de l’air au-dessus de ce niveau, il suffit, pour changer cette pression, de faire varier le poids (ou la masse) de l’air au-dessus de ce niveau. Nous verrons que la nature a un moyen fabuleux d’accomplir cette tâche : il suffit de faire varier la température de l’air ! Ce concept peut être illustré par l’exemple qui suit : la circulation thermique SCA-2611 Introduction à la météorologie

SCA-2611 Introduction à la météorologie Pour illustrer le concept de circulation thermique, considérons une colonne d’air enfermée dans un cylindre imaginaire Les points représentent des molécules individuelles La densité est constante partout Supposons, dans un premier temps, que l’air ne que se dilater vers le haut SCA-2611 Introduction à la météorologie

La circulation thermique En (a) : deux colonnes d’air de masse identique, donc même pression en surface SCA-2611 Introduction à la météorologie

La circulation thermique En (b) : on refroidit la colonne 1, on réchauffe la colonne 2. La colonne 1 se contracte, la colonne 2 prend de l’expansion, mais la pression en surface n’a toujours pas changé ! SCA-2611 Introduction à la météorologie

La circulation thermique En (c), la pression au niveau H de la colonne 2 est supérieure que celle au niveau L de la colonne 1… pourquoi ? Il y a plus d’air au-dessus de H qu’au dessus de L ! La pression est donc plus grande à H qu’à L, c’est-à-dire un gradient horizontal de pression de L à H (direction dans laquelle la pression augmente) La différence de pression de L à H crée un vent de H à L puisque la pression en H est supérieure à la pression en L SCA-2611 Introduction à la météorologie

La circulation thermique Ensuite: La pression chute en surface dans la colonne 2, et augmente en surface dans la colonne 1, ce qui crée un vent en surface de la colonne 1 vers la colonne 2. Une convergence dans le haut de la colonne 1 force un mouvement descendant dans celle-ci, et une divergence dans le haut de la colonne 2 force un mouvement ascendant dans celle-ci. Résultat : une circulation en boucle dans le plan vertical entre les deux colonnes H L SCA-2611 Introduction à la météorologie

La circulation thermique, c’est donc : Une combinaison de réchauffement et de refroidissement de l’air causant des variations horizontales de pression en altitude et au sol Ces variations de pression forcent l’air à se déplacer des régions de haute pression vers celles de basse pression. Ces vents horizontaux sont accompagnés d’ascendance au-dessus des basses pressions en surface et de subsidence au-dessus des hautes pressions en surface. Les régions d’ascension sont presque toujours associées à des nuages/précipitations, et les régions subsidentes à des régions claires, sans nuages (beau temps). SCA-2611 Introduction à la météorologie

SCA-2611 Introduction à la météorologie En résumé… Le vent provient des variations horizontales de la pression atmosphérique (ou barométrique) à un niveau donné Ces variations de pression sont dues aux variations horizontales de température Température et pression atmosphériques sont donc intimement reliées dans ce ballet aérien qu’est la circulation thermique Un exemple réel de ce type de circulation est la brise de mer SCA-2611 Introduction à la météorologie

SCA-2611 Introduction à la météorologie La brise de mer/lac JOUR La brise de mer/lac est un vent local dont l’échelle spatiale est de quelques dizaines de kilomètre. En Basse-Côte-Nord, elle peut être ressentie jusqu'à une vingtaine de km au large et peut atteindre 50 km/h. NUIT SCA-2611 Introduction à la météorologie

SCA-2611 Introduction à la météorologie La brise de mer/lac Soient des conditions isothermes et isobares à la surface, tôt un matin, par vent calme. Terre (18 °C) Mer (18 °C) Vue en coupe verticale Terre (27 °C) Mer (18 °C) Le soleil réchauffe la terre 925 hPa 950 hPa 975 hPa Quelques heures plus tard la température de la terre augmente tandis que celle de l'eau demeure à peu près constante grâce à la grande capacité calorifique de l'eau. Vue en coupe verticale Terre (27 °C) Mer (18 °C) La terre réchauffe l'air au-dessus 925 hPa 950 hPa 975 hPa L'air n'est pas réchauffé directement par le soleil mais plutôt indirectement par la surface. Donc au-dessus de la terre l'air est plus chaud qu'au-dessus de l'eau. Ce réchauffement peut affecter typiquement une couche de 1000 à 1500 m d'épaisseur. Vue en coupe verticale Capacité calorifique: Quantité de chaleur nécessaire pour élever d'un degré la température d'une masse de matière donnée. SCA-2611 Introduction à la météorologie

SCA-2611 Introduction à la météorologie La brise de mer/lac Puisque l'air chaud est moins dense, l'air au-dessus de la terre se dilate à partir du sol. Cela provoque une augmentation de la distance entre les surfaces de pression. Au-dessus de l'eau où l'air est très peu réchauffé la distance entre les surfaces de pression reste la même. Terre (27 °C) Mer (18 °C) Le réchauffement fait dilater l'air sur la terre 925 hPa 950 hPa 975 hPa Vue en coupe verticale Terre (27 °C) Mer (18 °C) Un flux s'établit en altitude de la terre vers la mer 925 hPa 950 hPa 975 hPa H D Une zone de haute pression se développe en altitude au-dessus de la terre et par conséquent, une dépression au-dessus de la mer en ressort. Un flux d'air s'établit en altitude de la terre vers la mer à cause de ce gradient de pression. Vue en coupe verticale SCA-2611 Introduction à la météorologie

SCA-2611 Introduction à la météorologie La brise de mer/lac Terre (27 °C) Mer (18 °C) La pression au sol diminue en réponse à l'écoulement en altitude 925 hPa 950 hPa 975 hPa H D En réponse à l'écoulement en altitude, une dépression se développe en surface sur la terre et une haute pression sur la mer. Vue en coupe verticale Terre (27 °C) Mer (18 °C) Un déplacement d'air s'établit de la mer vers la terre en réponse à la différence de pression 925 hPa 950 hPa 975 hPa H D Un déplacement d'air plus frais s'établit de la mer vers la terre à cause de ce gradient de pression. Vue en coupe verticale SCA-2611 Introduction à la météorologie

SCA-2611 Introduction à la météorologie La brise de mer/lac Des mouvements verticaux s'établissent aussi en réponse aux écoulements horizontaux de l'air ce qui complète la circulation de la brise de mer. Terre (27 °C) Mer (18 °C) L'air additionné à la surface se soulève pour remplacer l'air enlevé en altitude 925 hPa 950 hPa 975 hPa H D L'air additionné en altitude descend pour remplacer l'air enlevé à la surface Vue en coupe verticale SCA-2611 Introduction à la météorologie

Résumé La pression atmosphérique est la pression exercée par la masse d’air au dessus du point de mesure. À un endroit donné, la pression atmosphérique change parce que la masse de la colonne d’air de surface = 1 m2 , au dessus de l’endroit, a changé. Le réchauffement ou le refroidissement d’une colonne d’air au dessus d’un endroit donné peut établir des variations de pression sur une surface de hauteur constante au dessus de la surface.

Résumé Les différences de pression sur un plan horizontale créent le mouvement horizontal de l’air : le vent. La force du gradient de pression est due aux variations spatiales de pression : Dirigée perpendiculairement aux isobares et toujours dirigée des hautes vers les basses pressions. Proportionnelle au gradient de pression (variation de la pression entre deux points divisée par la distance entre ces deux points). Est la force qui cause le mouvement de l’air.

Cartes météorologiques Cartes de surface (pression au niveau de la mer) Cartes d’altitude (cartes isobariques) SCA-2611 Introduction à la météorologie

Les cartes de la pression au niveau moyen de la mer (PNM) Les stations météorologiques rapportent à chaque heure la pression au niveau de la mer. Lorsque ces valeurs sont pointées sur une carte, il est nécessaire de tracer des lignes reliant les mêmes valeurs, afin de mieux visualiser la structure spatiale de la pression Ces lignes sont des isobares. SCA-2611 Introduction à la météorologie

SCA-2611 Introduction à la météorologie Une carte de PNM Les « L » : centre de basses pressions – région où on observe un minimum relatif de pression Les « H » : centres de hautes pressions - région où on observe un maximum relatif de la pression Il y a plus de masse d’air (plus de poids) au-dessus des « H » qu’au-dessus des « L ». SCA-2611 Introduction à la météorologie © 2010 Richard Harvey

Les cartes de la pression en altitude (cartes isobariques) En altitude, les cartes représentent la pression d’une manière non-intuitive, en affichant la hauteur à laquelle une pression donnée est présente, et non la pression pour une hauteur donnée. Cela donne des cartes à pression constante ou cartes isobariques SCA-2611 Introduction à la météorologie

SCA-2611 Introduction à la météorologie À droite: la même situation en altitude telle qu’illustrée par une carte isobarique de 500 hPa. À gauche : une carte de PNM en surface pour situation météo hypothétique TROUGH = CREUX RIDGE = CRÊTE FIGURE 8.16 (a) Surface map showing areas of high and low pressure. The solid lines are isobars drawn at 4-mb intervals. The arrows represent wind direction. Notice that the wind blows across the isobars. (b) The upper-level (500-mb) map for the same day as the surface map. Solid lines on the map are contour lines in meters above sea level. Dashed red lines are isotherms in oC. Arrows show wind direction. Notice that, on this upper-air map, the wind blows parallel to the contour lines. SCA-2611 Introduction à la météorologie

SCA-2611 Introduction à la météorologie Discussion «La pression atmosphérique normale, établie à 101,3 kPa, est une estimation de la pression moyenne des masses d’air, mesurée au niveau de la mer des régions tempérées. Une pression inférieure à 101,3 kPa est considérée comme une basse pression, alors qu’une pression supérieure à 101,3 kPa est considérée comme une haute pression.» Synergie, page 256. Pression en hPa Carte de pression au niveau moyen de la mer SCA-2611 Introduction à la météorologie

SCA-2611 Introduction à la météorologie Discussion Synergie : section 2.4.1, page 256, paragraphe 2 «La pression atmosphérique varie également en fonction de la température de l’air. En effet, l’air chaud est moins dense que l’air froid. Ainsi une couche d’air chaud de même épaisseur qu’une couche d’air froid exercera une pression moindre.» Voir aussi figure 34, Synergie, page 256 SCA-2611 Introduction à la météorologie

SCA-2611 Introduction à la météorologie Discussion Observatoire : page 224 Texte correct Attention à la légende de la figure 7.3 : «Plus y a des particules d’air, plus la pression est grande, car plus il y a des collisions entre les particules.» masse Nombre de moles densité pression Masse molaire de l’air Constante spécifique de l’air Température Volume SCA-2611 Introduction à la météorologie

Cartes à pression constante Sur la figure, les points bleus sont des molécules d’air, et on suppose que toute l’atmosphère est contenue dans la colonne et que la densité de l’air est partout la même. Si on monte jusqu’à la moitié de la colonne, on peut dessiner une surface représentant tous les points à cette altitude (5600 m). C’est une surface à hauteur constante. SCA-2611 Introduction à la météorologie

Cartes à pression constante C’est aussi une surface où le nombre de molécules en-dessous est égal au nombre de molécules au-dessus; la pression à cette hauteur est donc de 500 hPa (1000 hPa/2). C’est une surface à pression constante de 500 hPa, qui coïncide avec une surface à hauteur constante de 5600 m. Le long de cette surface, il n’y a bien sûr aucun gradient de pression, et une carte de pression pour cette altitude n’afficherait aucune isobare. SCA-2611 Introduction à la météorologie

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Cartes à pression constante Sur la figure suivante, nous avons une situation où l’air est plus chaud dans une portion d’une colonne d’air (disons au sud), et plus froid dans une autre portion (disons au nord). La colonne y abrite donc un gradient horizontal de température. Nous supposons que la pression en surface est partout la même, et donc qu’il y a le même nombre total de molécules (donc le même poids total) dans chaque portion de la colonne. SCA-2611 Introduction à la météorologie

Cartes à pression constante La surface en gris au sommet de la colonne représente une surface à pression constante, où la pression en tout point de la surface est de 500 hPa. Puisque l’air est plus chaud dans le sud de la colonne, la hauteur à laquelle on rencontre un pression de 500 hPa est plus haute que dans le nord de la colonne, où l’air est plus froid. SCA-2611 Introduction à la météorologie

Cartes à pression constante De façon équivalente, la pression à 5600 m est plus haute dans la région chaude que dans la région froide, puisque la pression varie peu avec la hauteur dans le première, alors qu’elle varie plus rapidement avec la hauteur dans la seconde. Une région de hautes hauteurs isobariques est aussi une région de hautes pressions à une altitude donnée Une régions de basses hauteurs isobariques est aussi une région de basses pressions à une altitude donnée. SCA-2611 Introduction à la météorologie

SCA-2611 Introduction à la météorologie La pression varie peu avec l’altitude La pression varie beaucoup avec l’altitude SCA-2611 Introduction à la météorologie

SCA-2611 Introduction à la météorologie Hautes hauteurs isobariques Basses hauteurs isobariques FIGURE 8.14 Changes in elevation of an isobaric surface (500 mb) show up as contour lines on an isobaric (500 mb) map. Where the surface dips most rapidly, the lines are closer together. Carte d’hauteurs de la pression de 500 hPa SCA-2611 Introduction à la météorologie

SCA-2611 Introduction à la météorologie Sur une carte d’altitude à pression constante, un creux barométrique est toujours associé à de l’air froid, alors qu’une crête barométrique est toujours associée à de l’air chaud FIGURE 8.15 The wavelike patterns of an isobaric surface refl ect the changes in air temperature. An elongated region of warm air aloft shows up on an isobaric map as higher heights and a ridge; the colder air shows as lower heights and a trough. SCA-2611 Introduction à la météorologie

SCA-2611 Introduction à la météorologie À droite: la même situation en altitude telle qu’illustrée par une carte isobarique de 500 hPa. À gauche : une carte de PNM en surface pour situation météo hypothétique FIGURE 8.16 (a) Surface map showing areas of high and low pressure. The solid lines are isobars drawn at 4-mb intervals. The arrows represent wind direction. Notice that the wind blows across the isobars. (b) The upper-level (500-mb) map for the same day as the surface map. Solid lines on the map are contour lines in meters above sea level. Dashed red lines are isotherms in oC. Arrows show wind direction. Notice that, on this upper-air map, the wind blows parallel to the contour lines. SCA-2611 Introduction à la météorologie

La pression atmosphérique : une vraie brute ! Dans cette démonstration, l’air contenu dans le baril de 200 litres est pompé jusqu’à ce que la pression à l’intérieur ne soit que de 40% de celle à l’extérieur Avec une telle différence de pression, une force de 60 000 N/m2 (poids de 6 tonnes sur chaque mètre carré !) écrase littéralement le baril ! SCA-2611 Introduction à la météorologie

Cartes météorologiques en altitude SCA-2611 Introduction à la météorologie