Objectifs Comprendre les processus thermodynamiques amenant à la sursaturation de l ’air et à la formation de nuage ou brouillard

Formation des nuages : L’eau dans l ’atmosphère Qu ’est ce un nuage?

Formation des nuages : L’eau dans l ’atmosphère

Changements de phase

Chaleur latente Changement d'état physique à température constante Q = mL L : chaleur latente de changement d'état physique à température constante [J kg-1] à 0°, la fusion de 1 kg d'eau nécessite 335 kJ à 100° la condensation de 1 kg de vapeur d'eau libère 2 262 kJ

Chaleur latente dans l ’atmosphère Flux de chaleur latente : On appelle chaleur latente l'énergie échangée lors d'un changement de phase d'un corps pur. Dans le système climatique, il s'agit toujours des changements d'états de l'eau. Il faut distinguer les 2 étapes suivantes : Évaporation à la surface des océans. Ce processus refroidit la surface océaniques et introduit de la vapeur d'eau dans l'atmosphère. Condensation dans les nuages. Lors de la convection, la pression partielle de la vapeur d'eau atteint progressivement la valeur de la pression de vapeur saturante. Il y a alors condensation en eau liquide ou solide et libération de chaleur qui réchauffe l'atmosphère. Le flux de chaleur latente entre la surface et l'atmosphère est donc associé à la quantité de vapeur d'eau introduite dans l'atmosphère. La chaleur ne sera libérée qu'ultérieurement lors de la condensation. D'où l'appellation de chaleur latente (qui se manifeste plus tard).

Équation d ’état pour l’air sec atmosphérique Soit p la pression, d la densité et T la température de l ’air sec. À l ’équilibre les trois variables thermodynamiques sont reliées par l ’équation.

Humidité dans l ’atmosphère: pression de vapeur

Équation d ’état de l ’air humide puisque et

Équation d ’état de l ’air humide Air humide = air sec + vapeur d ’eau

Humidité dans l ’atmosphère: pression de vapeur

Humidité dans l ’atmosphère: densité de la vapeur

Humidité dans l ’atmosphère: rapport de mélange

Humidité dans l ’atmosphère: humidité spécifique

Humidité dans l ’atmosphère: humidité relative

Mesures d ’humidité Humidité absolue Humidité spécifique Rapport de mélange Humidité relative ~ Température virtuelle

Humidité de l ’air

Humidité de l ’air

Comment se forment les nuages ? Il faut que l ’air devienne saturé et qu ’il commence un des changements de phase suivants : Vapeur d ’eau liquide Vapeur d ’eau solide

Comment l ’air devient saturé ? Par refroidissement détente adiabatique: expansion lors d ’un soulèvement de l ’air rayonnement : pertes radiatives, phénomène essentiellement nocturne conduction : contact avec une surface froide Augmentation de la vapeur d ’eau évaporation de l ’eau, surtout quant celle-ci est à une température plus élevée que l’air évaporation de la pluie chaude évapotranspiration de la végétation combustion de matières organiques

Processus qui font changer l’humidité relative p = 850 mb T = 10 °C w = 5 g/kg Particule d ’air non saturée Humidité relative: w/ws ? = 5/9 = 55,5 % es(10 °C) ~12,3 mb

Processus qui font changer l’humidité relative p = 850 mb T = 10 °C Pour que U atteigne 100 % il faut avoir lieu un des processus suivantes: U = 55,5 % À pression constante: Refroidissement La quantité de vapeur augmente Un refroidissement et une augmentation de la quantité de vapeur d ’eau

Processus qui font changer l’humidité relative L ’état thermodynamique de la particule, qui correspond au changement d ’état de la particule, est contrôlée par trois influences externes: 1) sources ou puits de chaleur 2) sources ou puits d ’humidité 3) changements de pression

Processus qui font changer l’humidité relative p = 850 mb T = 10 °C Pour que U atteigne 100 % il faut avoir lieu un des processus suivantes: U = 55,5 % À pression constante: Refroidissement isobarique p = 850 mb T’ = 1,5 °C U’ =100 % w = 5 g/kg w’s= 5 g/kg

Refroidissement isobare et diabatique Pendant un processus de refroidissement isobarique p = pd + e reste constant. Si le système est fermé: q, w, e restent constantes T diminue (pertes de chaleur) U augmente puisque es diminue

Refroidissement isobare et diabatique (Points de rosée et de gelée) À la saturation la température finale est de Tf =TD = 10,5 °C, wf = ws(1000 mb, 10,5 °C) = 8 g / kg Le point D est le point de rosée de la particule La température du point de rosée de la particule humide est la température à laquelle cette particule devient saturée, lorsqu ’elle subit un refroidissement isobare. Si la température à la saturation est négative, on l ’appelle la température du point de gelée (frimas)

Refroidissement isobarique Point de rosée ou de gelée blanche

Refroidissement isobare et diabatique (saturation) Considérons la particule d ’air humide définie par les valeurs: p0 = 1000 mb, T0 = 19 °C, w0 = 8 g / kg On la refroidie jusqu ’à la saturation Quel est l ’état final ? pf = 1000 mb, Tf = 10,5 °C, wf = 8 g / kg

Refroidissement isobare et diabatique (Points de rosée et de gelée) p0 = 1000 mb, T0 = 19 °C, w0 = 8 g / kg pf = 1000 mb, TD = 10,5 °C, wf = 8 g / kg Quelle quantité de chaleur a été perdue par unité de masse pendant ce procédé?

La courbe du point de rosée 1018 986 938 899 850 798 750 T 11,4 18,4 16,6 14,5 11,8 8,6 5,4 T-TD 0,3 0,0 3,2 0,5 10,0

Refroidissement isobare et diabatique (Condensation) Si le refroidissement continue au-dessus de TD (TF) la tension de vapeur d ’eau devient sursaturée et la condensation (condensation solide) commence...

Refroidissement isobare et diabatique (Condensation) Quand commence la condensation le refroidissement se poursuit moins rapidement. Pourquoi ?

Rosée

Gelée blanche

Brouillard de rayonnement Pertes de chaleur par radiation On admet qu ’il y a du brouillard quand la visibilité est inférieure à 1 km

Brouillard d ’advection

Brouillard d ’advection Ce brouillard se produit quand une masse d ’air chaud et humide arrive au-dessus d ’une surface relativement froide

Changement de l ’état d ’humidité par apport de vapeur d’eau

Processus qui font changer l’humidité relative p = 850 mb T = 10 °C À pression constante et température constante: U = 55,5 % la quantité de vapeur augmente selon un procédé thermodynamique isobare et isotherme P ~ 850 mb T = 10 °C U’ = 100 % w’ = 9 g/kg ws = 9 g/kg

Processus qui font changer l’humidité relative p = 850 mb T = 10 °C À pression constante: U = 55,5 % Il y a une infinité d ’état finaux qui peuvent amener à une saturation de ce type. On parlera du processus isobarique et adiabatique.

Processus qui font changer l’humidité relative Adiabatiquement: w = 5 g/kg w’s = 5 g/kg P’=740 mb T’ = -0.5 °C La particule se déplace, jusqu ’au niveau de pression où le rapport de mélange saturante à cette pression et température est égale au à w : w = ws(p ’,T ’) = 5 g/kg p = 850 mb T = 10 °C U = 55,5 % w = 5 g/kg ws = 9 g/kg

Saturation et condensation par apport de vapeur d ’eau Brouillard d ’évaporation: de l ’air froid se déplace sur des étendues d ’eau liquide. Le brouillard ainsi formé est peu épais à moins que d ’autres facteurs interviennent. Un phénomène analogue se produit au sein d ’une couche d ’air traversée par des précipitations qui s ’évaporent partiellement

Brouillard d ’évaporation Considérons, dans les basses couches atmosphériques, des particules d ’air humide, non saturé, en contact avec une étendue d ’eau liquide: e < es(Teau) < es(Tair) Air: Tair, p, w, e Quand e = es(Teau) l ’évaporation s’arrête Eau: Teau Pourquoi ? Conclusion : e < es(Tair) Il n ’y aura pas de brouillard ! 1) Tair > Teau

Brouillard d ’évaporation Air: Tair, p, w, e e < es(Tair) < es(Teau) L ’air devient saturé quand e = es(Tair) < es(Teau) Eau: Teau L ’évaporation continue, puisque il y a un gradient de pression de vapeur 2) Tair < Teau Il y aura du brouillard !