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)

Cycle de l’eau dans le système terre atmosphère ATMOSPHERE 0,035% Transport horizontal 77 7 16 84 23 Précipitations dans l'océan Précipitations sur terre Evaporation terrestre Evaporation océanique 7 16 23 Ecoulement de surface 77 84 rivières : 0,03% couvert végétal : 0,06% lacs : 0,3% eau souterraine (<800m) : 11% eau souterraine (800 - 4000m) : 14% icebergs et glaciers : 75% CONTINENTS 97% d'origine océanique 3% restant (eau douce) Répartition de la totalité de l'eau disponible sur Terre 100 unités = moyenne annuelle globale des précipitations 85,7 cm

Les 3 états et les changements d’états sublimation Absorption de chaleur évaporation fusion 0,334.106 J/Kg 2,5.106 J/Kg SOLIDE LIQUIDE GAZ condensation solide congélation condensation Libération de chaleur Chaleur latente à 0°C et 1013 hPa

Équilibre entre les 3 états P vapeur température LIQUIDE V S F 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 Air sec P=Pa 1 Air sec + vapeur P=Pa+e 2 Air sec+vapeur saturante P=Pa+ew(t) 3

La courbe de tension saturante de la vapeur P vapeur température Air saturé e=ew 3 LIQUIDE Air humide e 2 VAPEUR Air sec e=0 1 t

ew est une fonction croissante de la température Quelques valeurs de ew P vapeur (hPa) Température °C 0 5 10 15 20 25 30 35 56,2 42,4 31,7 23,4 17,0 12,3 8,7 6,1 ew est une fonction croissante de la température

Les retards aux changements d'état (1/3) vapeur  liquide : la sursaturation P vapeur température LIQUIDE sursaturation e>ew VAPEUR ew VAPEUR t Moyennant la présence de noyaux de condensation, la sursaturation n’existe pratiquement pas dans l ’atmosphère

Les retards aux changements d'état (2/3) liquide  solide : la surfusion P vapeur température LIQUIDE VAPEUR SOLIDE 0°C Liquide surfondu Surfusion généralisée dans les nuages entre 0 et -10°C/-15°C

Les retards aux changements d’état (3/3) l’équilibre vapeur / liquide surfondu P vapeur température LIQUIDE VAPEUR SOLIDE 0°C 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 2 air sec (ma) + vapeur «sèche» (mv) air sec (ma) + vapeur saturante (mv) rw = mvsat/ma = rapport de mélange saturant ou maxi r = mv/ma = v/ a r = 0,622 e p-e rw = 0,622 p-ew ew 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) 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) Température °C 0 5 10 15 20 25 30 35 56,2 42,4 31,7 23,4 17,0 12,3 8,7 6,1 e=17 hPa e=ew(td) td t

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) Température °C 0 5 10 15 20 25 30 35 56,2 42,4 31,7 23,4 17,0 12,3 8,7 6,1 e ew(t) ew(td) U = 100 = 100 = 100 = 40% 17,4 42,4 ew=42,4 hPa e=17 hPa U # 100 r rw td t

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’w 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’humidité relative régulières : inverses de la température T max. Humidité minimale 100% 0% T min. Humidité maximale accidentelles : changement de masses d’air

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 : dT T CPa Ra P dP = T0 P0 ( )  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) le gradient adiabatique sec dp = -.g.dz  dT T CPa Ra .Ra.T -.9,8.dZ = dZ 9,8 1005 = -  soit dT/dZ = 1°/100m (3°/1000’) représentation graphique t Z Z=500m adiabatique 1°/100m Z=100m t=10°C t=6°C

Les transformations adiabatiques (3/5) Saturation et condensation par détente pente adiabatique plus faible libération de chaleur t Z rw(pc,tc) = r0 U = 100% saturation condensation Zc, pc 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  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) Saturation et condensation par détente (exemple) rw(850,4°) = 6g/kg r0 = 7g/kg  6g/kg U = 100% condensation de 1gliq/kg t p r0 = 7g/kg rw(920,7.5°) = 7g/kg U = 100% p=850 4° pc=920 7,5° C r0=7g/kg rw(950,11°) = 8,5g/kg U=82% p=950 11° r0 =7g/kg rw(1000,15°)=10,8g/kg U0=70% p0=1000 15° Exemple sur émagramme

Les transformations adiabatiques (5/5) Processus de condensation par ascendance (détente) Ascendance orographique Ascendance convective + + + + + + Ascendance dépressionnaire Ascendance par turbulence vent D

Les transformations isobares (1/3) Le refroidissement nocturne en surface Conditions initiales 7,7 8,8 10,1 11,5 13,1 14,9 rw g/kg T°C 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 1000 700 P Z 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 isobare isotherme Isorw t = 20°C rw = 14,9 g/kg td = 14°C r= 10,1 g/kg 3 2 1 X td t

Les transformations isobares (2/3) Processus de condensation par refroidissement en surface ciel clair, sol continental z t vent calme rosée, gelée blanche sol vent faible z t brouillard de rayonnement sol x10m

Les transformations isobares (3/3) Advection d’air chaud et humide sur un sol froid z t brouillard d’advection 5 à 10kt x100m

Autres processus de saturation (1/2) Apport de vapeur d ’eau ew t condensation ew saturation apport de vapeur e état initial td t brouillard d’évaporation brouillards/ST «frontaux»

Autres processus de saturation (2/2) Par mélange ew t e2 em=ew e1 t1 tm t2 A L G E R I MAROC brouillard ESPAGNE océan atlantique mer méditerranée

Stabilité et instabilité verticale (1/4) deux grands types de mouvements verticaux affectent l’atmosphère : ascendance dépressionnaire D 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 + + + + + +

Stabilité et instabilité verticale (2/4) Equilibre vertical Fa = ma.g = a .V.g air ambiant P0,T0, 0 particule P0, T0, 0 P,Ta, a p Fa a p Ta Tp = RaTp P RaTa >1 1 Particule P, Tp, p =1 3 p = mp.g = p.V.g <1 2 ne revient pas à sa position initiale : instable 1 revient à sa position initiale : stable 2 reste à sa position : indifférent 3

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 T z T z T instable Tp =Ta Tp <Ta Ta <Tp stable Tp =Ta Tp <Ta stable indifférent instable Ta <Tp évolution d’une particule saturée et qui le reste idem en changeant adiabatique par pseudo-adiabatique

Stabilité et instabilité verticale (4/4) En résumé Structure thermique pseudo-adiabatique adiabatique Z t 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

Image satellite (vapeur d’eau) Retour

La sursaturation Les traînées de condensation pas suffisamment de noyaux de «condensation» en haute atmosphère Retour

La surfusion Répartition cristaux - gouttelettes à température négative -10 -20 -30 -40 température en °C Nombre de gouttelettes surfondues Nombre total de cristaux et gouttelettes = 1 cristaux de glace gouttelettes d'eau surfondue Retour

L’émagramme construction Z iso rw isotherme pseudo-adiabatique T°C P Z 7,7 8,8 10,1 11,5 13,1 14,9 rw g/kg iso rw 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 isotherme pseudo-adiabatique adiabatique sèche 1000 930 860 isobare Retour

Les transformations adiabatiques Saturation et condensation par détente (émagramme) Quantité d’eau condensée 11,5-10,1=1,4gliq 7,7 8,8 10,1 11,5 13,1 14,9 rw g/kg T°C 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 1000 P Z X adiabatique saturée X Niveau de condensation Conservation de la quantité de vapeur d’eau r = 11,5g/kg adiabatique sèche t X td Retour

L’EAU DANS L’ATMOSPHERE FIN Première diapositive