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

Ce qu ’il faut connaître Système fermé énergie interne enthalpie entropie chaleur premier et deuxième principes processus isobare processus adiabatique saturation vapeur saturante équation de Clausius Clapeyron chaleur latente. condensation/évaporation lois de Kirchhoff rapport de mélange rapport de mélange saturante

Particule d ’air Vent moyen m, m ’v, mw 4 mv=m ’v+mw 3 m ,mv 2 m ,mv 1

Diagrammes aérologiques Diagrammes aérologiques: diagrammes thermodynamiques pour étudier les processus thermodynamiques dans l ’atmosphère. Ces diagrammes ont été construits pour visualiser la distribution de température et d ’humidité de l ’atmosphère au dessus d ’une station. L ’air que compose l ’atmosphère est sujet à différentes transformations. Les procédés comme vous les avez étudiés en thermodynamique, sont le plus souvent sous forme adiabatique sèche, pseudo-adiabatique, isobarique. De même l ’air peut changer son géo-potentiel suite à des mouvements verticaux. Une façon appropriée d ’étudier ce que se passe dans l ’atmosphère est d ’utiliser une série de lignes graphiques sur un diagramme thermodynamique. Les diagrammes utilisés pour étudier les processus thermodynamiques dans l ’ atmosphère sont diagrammes aérologiques. L ’importance des diagrammes prend toute son ampleur dans la quantité d ’information qui peux être tirée d ’eux, et ce rapidement. Ils permettent l ’étude de la stabilité verticale de l ’atmosphère. L ’étude de la structure verticale indiquera également le type de masse d ’air ou masses d,air en cause. L ’épaisseur des couches entre deux niveaux de pression peut être rapidement trouvée. Les diagrammes aérologiques

Propriétés recherchées sur les diagrammes thermodynamiques 1) Conservation d ’une correspondance entre le travail net et la surface incluse à l’intérieur de la courbe représentant un procédé cyclique; 2) la plupart des lignes fondamentales sont des droites; 3) l ’angle entre les isothermes et les adiabatiques de l ’air sec est le plus grand possible; 4) dans la basse atmosphère, les adiabatiques de l ’air sec devraient faire un angle appréciable avec les adiabatiques de l ’air saturé.

Le téphigramme Nous avons vu que dans le cas d ’un gaz parfait nous pouvons exprimer le premier et deuxième principes par: Où q est la chaleur échangée par la particule

Le téphigramme ln  s2 ds s1 T T (C) On peut utiliser T, la température, et s, la variation d ’entropie à partir d ’un état de référence, comme coordonnées pour la construction d ’un diagramme aérologique. T (C) ln  -10 10 300 K 290 K 280 K 5.63 5.67 5.7 s2 s1 ds T

Le téphigramme La construction et l ’emploi du téphigramme repose sur une thermodynamique simplifié de l ’air: Néglige l ’eau sous forme liquide ou solide pour laquelle on a pas de mesures. L’air est considéré comme un mélange de gaz parfaits: l’air sec et la vapeur. Utilise l’approximation hydrostatique dp/dz=-g, dans les calculs.

Le téphigramme Dans un téphigramme les processus adiabatiques sont caractérisés par une entropie constante (ou température potentielle constante) ln  isothermes 300 K 5.7 290 K adiabatiques de l ’air sec 5.67 280 K 5.63 T (C) -10 10

Le téphigramme 1) la pression est introduite à l ’aide de l ’équation de la température potentielle:

Le téphigramme 2) En pratique on tourne le téphigramme de 45 °, pour que les isobares représentent plus la réalité atmosphérique, étant donné qu’elles sont quasi parallèles à la surface terrestre Page 2, Notes de cours ET Distribution des Ts

Téphigramme: les isobares Les isobares sont les lignes vertes légèrement courbées et quasi horizontales, tracées à intervalles de 10 mb, de 1050 à 100 mb. Les graduations sont inscrites en vert aux extrémités droite et gauche et au centre à 50 mb d ’intervalle.

Téphigramme: les isothermes Les isothermes sont les droites vertes parallèles qui sont tracées du coin gauche inférieur vers le coin droit supérieur, formant un angle de 45 ° avec l ’horizontal Elles sont graduées en verte à tous les 5 °C. Les températures en ° F sont indiquées en haut et en bas à l’intérieur du cadre du T L ’isotherme 0 °C est indiquée par une ligne verte plus foncé.

Téphigramme: les adiabatiques sèches Ce sont les droites parallèles imprimées en brun et perpendiculaires au isothermes. Elles sont tracées de haut en bas et de gauche à droite Elles sont numérotées en K le long de l’isotherme -50°C et de l’isotherme 0 °C.

Téphigramme: courbe de températures sèches La température de l’air, pour n’importe quel niveau de pression est inscrite à l’intersection de l’isobare et de l’isotherme correspondant. Une série de points de température est en générale pointé à chaque sondage atmosphérique. Réunis par une ligne ces points forment ce qu ’on appelle la « courbe de températures sèches » qui représente le gradient verticale de température

Téphigramme: exemple Pression (p mb) Température (T °C) 1018 986 899 850 798 11,4 18,4 14,6 11,8 8,6

Téphigramme: exemple Chaque point que vous avez tracé représente l ’état de l ’atmosphère au niveau respectif Faites subir une détente adiabatique à cette particule telle que sa pression finale est de 1000 mb. Tracé le procédé dans le T p 1018 T 11,4 Quelle est la température à 1000 mb ? Quelle est la température potentielle de cette particule?

Téphigramme: rapport de mélange Le rapport de mélange est défini comme le rapport entre la masse de vapeur d ’eau mv dans une particule d ’air de masse m, et la masse d ’air sec md existante dans cette même particule.

Téphigramme: rapport de mélange saturante Il est alors possible de tracer sur le T les lignes de rapport de mélange à la saturation.

Téphigramme: rapport de mélange saturante Ce sont les lignes brunes, presque droites et presque parallèles, tracées de bas en haut et inclinées vers la droite sur le T. Elles sont plus rapprochées de la verticale que les isothermes. Elles sont numérotées en brun au dessous de l’isobare 1050 mb (eau) et au dessus de l’isobare 100 mb (glace). L ’écart entre ces lignes est irrégulier en termes de rapport de mélange. Les unités sont le g/kg.

Téphigramme: Adiabatique saturée Ce sont des courbes brunes presque perpendiculaires aux isobares dans le coin droit au bas de la feuille. Elles s’arrêtent à -50 ° C et sont alors presque parallèles aux adiabatiques sèches. Elles sont numérotées en ° C, le long de l’isotherme -50 ° C. La cote de température représente ce qu ’on appelle la température potentielle du thermomètre mouillé.

Téphigramme: rapport de mélange saturante Considérez deux particules d ’air au niveau de 850 mb Particule A: T = 10 °C, r = 1 g/kg sous saturée Particule B: T = 10 °C, r = 9 g/kg saturée Pointez l ’état de ces deux particules dans le T Faites subir une détente adiabatique à chacune de ces deux parcelles jusqu ’à la pression de 750 mb. Quelle est la température finale de chacune des particules? Discussion et interprétation physique

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

Processus qui font changer l’humidité relative p = 850 mb T = 10 °C r = 5 g/kg Humidité relative: = 55,5 % L ’état thermodynamique de cette particule est représenté dans le T par le point image (T, p) et une ligne de saturation rs = r.

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: Le point image se déplace vers la gauche. r se déplace vers la droite: la quantité de vapeur augmente à pression constante Le point image se déplace vers la gauche et r vers la droite, jusqu ’a la coïncidence

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: Le point image se déplace vers la gauche. p = 850 mb T’ = 1,5 °C U’ =100 % r = 5 g/kg r’s = 5 g/kg

Processus qui font changer l’humidité relative p = 850 mb T = 10 °C À pression constante: U = 55,5 % r se déplace vers la droite: la quantité de vapeur augmente à pression constante P ~ 850 mb T = 10 °C U’ = 100 % r’ = 9 g/kg rs = 9 g/kg

Processus qui font changer l’humidité relative p = 850 mb T = 10 °C À pression constante: U = 55,5 % Le point image se déplace vers la gauche et r vers la droite, jusqu ’a la coïncidence Il y a une infinité d ’état finaux qui peuvent amener à une saturation de ce type. On étudiera le processus isobarique et adiabatique.

Processus qui font changer l’humidité relative p = 850 mb T = 10 °C Adiabatiquement: U = 55,5 % r = 5 g/kg r’s = 5 g/kg P’=740 mb T’=-0.5 Le point image se déplace selon l ’adiabatique sèche, qui passe par le point image, jusqu ’au niveau de pression où le rapport de mélange saturante à cette pression et température est égale au à r : r = rs(p ’,T ’) = 5 g/kg

Processus qui font changer l’humidité relative Le mouvement du point image, qui correspond au changement d ’état de la particule, est contrôlé par trois influences externes: 1) sources ou puits de chaleur 2) sources ou puits d ’humidité 3) changements de pression