Physique Météorologie synoptique Pierre Eckert, MétéoSuisse Analyse et prévision Physique Météorologie synoptique Pierre Eckert, MétéoSuisse

Sujets abordés Dynamique Mouvements dans l’atmosphère Thermodynamique et énergie Circulation générale sur la planète Théorie du front polaire Stabilité verticale de l’atmosphère

Force (dynamique): lois de Newton Loi d‘inertie: Un corps qui n‘est soumis à aucune force suit un mouvement rectiligne uniforme Action=réaction Tout corps qui agit par une force sur un corps voisin est soumis de la part de ce corps à une force égale et directement opposée. Loi du mouvement: F=ma : Force (N)= masse(kg) * accélération(m/s2) Soleil Terre F1 F2 F1 F2 Contact direct Action à distance

Force du gradient de pression Haute Pression Basse Pression L H Force par unité de masse: 𝐹 𝑚 = 1 𝜌 Δ𝑝 Δ𝑦

Force de Coriolis Il s’agit d’une force FC qui provient de la rotation de la Terre. Elle ne s’exerce que sur les objets en mouvement. FC v v FC Hémisphère Nord Hémisphère Sud Ω = 2π / 86400 s FC= m f v f = 2 Ω sin λ λ : latitude La force de Coriolis est nulle à l’équateur, maximale aux pôles

Source : Hack (1978), modifié Fallot (2006) Force de Coriolis C’ C’’ C Source : Hack (1978), modifié Fallot (2006)

Force de Coriolis Source : Hack (1978)

H L Vent géostrophique vg p1 p2 p3 Fc Fp Une particule d‘air au repos dans la haute pression est soumise à la force de gradient de pression et se déplace vers la basse pression, dès qu‘elle acquiert de La vitesse elle dévie vers la droite grâce à la force de Coriolis, les deux forces s‘équilibrent, et la particule d‘air se déplace parallèlement aux isobares.

Vent géostrophique Force de Coriolis= Force de gradient de pression Équilibre des forces 𝑣𝑓= 1 𝜌 Δ𝑝 Δ𝑦 𝑣𝑔= 1 𝑓𝜌 Δ𝑝 Δ𝑦

H L H L Hémisphère Nord Hémisphère Sud Vent géostrophique Le vent géostrophique souffle parallèlement aux isobares

H B Force de frottement vg p1 p2 p3 Ff FC Fgp V‘ V‘< V (frottement) Le frottement diminue la vitesse de la particule d’air. La force de Coriolis diminue donc (car proportionnelle à la vitesse). La force du gradient de pression est donc plus grande que la force de Coriolis. Il y a donc déviation vers la basse pression.

T H La force de frottement diminue avec l’altitude. 1000 m 500 m 0 m Vent La force de frottement diminue avec l’altitude. T H Deux elements, effets du sol (rugosite) rotation freinage Convergence Divergence

Déviation des vents de surface dans l’hémisphère Nord loi de Buys-Ballot

Basses et hautes pressions divergence convergence 500 Hpa convergence divergence B h

Vent de gradient L H Mouvement cyclonique Mouvement anticyclonique Fc Fp Fc L H 𝑣 2 𝑟 Fp 𝑣 2 𝑟 V 𝑣 2 𝑟 = 1 𝜌 Δ𝑝 Δ𝑦 −𝑣𝑓 = 𝑣 𝑔 𝑓 −𝑣𝑓 𝑣 2 𝑟 >0 𝒗< 𝒗 𝒈 𝑣 2 𝑟 =− 1 𝜌 Δ𝑝 Δ𝑦 +𝑣𝑓 = −𝑣 𝑔 𝑓+𝑣𝑓 𝑣 2 𝑟 >0 𝒗> 𝒗 𝒈

Energie ou travail: Une force qui déplace son point d’application sur une distance L fournit un travail: E= Force . Distance Unités: Joules [J] = [N][m]=[kg][m][m]/[s2]=[km[m2]/[s2] Ou calories 1 calorie=4.18 [J] Le travail fournit sur une distance L par une force F agissant sur un mobile est égale à la différence d’énergie cinétique du mobile Ecin=1/2 . m . v2 Exemple: Un mobile de 1 kg passant de 0 à 50 m/s à une énergie cinétique de: 1250 [J]

Energie Calorifique Echelle de température absolue: 0° C = 273.15°K (Kelvin) Chaleur spécifique (C): Energie qu‘il faut fournir à un 1 Kg de liquide (ou un gaz) pour élever sa température de 1 degré. ΔQ=C.m. ΔT (Joules) Pour un gaz, on distingue la chaleur spécifique à volume constant: Cv=717 J/°K Kg (air) Et la chaleur spécifique à pression constante: Cp=1004 J/°K Kg (air) Chaleur Latente (L): Energie qu‘il faut fournir (ou que l‘on reçoit) lorsque 1 Kg de liquide ou de gaz lorsqu‘il change de phase: ΔQ=L.m (Joules) Chaleur latente de condensation: Lc=2.5 . 106 J/Kg (eau)

Energie Calorifique T vapeur 100° eau 0° ΔQ glace -10°

Météorologie Energie Mécanique Energie Calorifique Energie de Rayonnement Energie Electrique (faible) Les énergies peuvent se tranformer les unes en autres, mais elles sont conservées

Puissance: Définition: P = Energie / temps [Watt] [W] Exemple du mobile: 1250 [J] pour passer de 0 à 50 [m/s] Si il faut 10 secondes, la puissance sera alors de: 1250 [J]/10[s]=125 [W] Autres unités: 1 CV (Cheval Vapeur) = 736 [W] Une ampoule de 100 W éclaire pendant une année, soit 365 jours x 24 h = 8760 h L‘énergie utilisée est: 100 . 8760 = 876‘000 Wh = 876 kWh A 10 centime le kWh, cela coutera 87.6 Fr. Le kWh est une unité d‘énergie.

Transport de Chaleur Flux de chaleur γ = ∆Q/∆t = χ S(T1-T2)/L Conduction: Longueur L T2 T1 section S Flux de chaleur γ = ∆Q/∆t = χ S(T1-T2)/L χ dépend du matériau Argent: χ = 9.7 10-2 (bon) Air: χ = 5.7 10-6 (mauvais)

Transport de chaleur Source Convection Ne s‘applique qu‘aux fluides (gaz, liquides) Source

Transport de chaleur Rayonnement Un corps dont T > 0° émet un rayonnement électromagnétique Emetteur T > 0° Récepteur EEmis => Chaleur Energie Electromagnétique Sans support matériel

Bilan radiatif de la Terre Soleil Terre Pémission/S = σ T4 Pabs=Pémission : 1400 (W) 0.7 (albedo moyen 0.3) π r2 =σ T4 4 π r2 => Téquilibre = 256°K = -17°C (il manque 30°)

Rayonnement solaire /terrestre

Equilibre radiatif annuel

Energie solaire entrante 51% de l‘énérgie solaire est absorbée directement par le sol (surtout les océans tropicaux) 90% de l‘énérgie infrarouge émise par la terre est absorbé par les gaz à effets de serre, donc seul 10% échappe directement dans l‘espace

Energie solaire entrante

Energie terrestre sortante

Les spectres de radiation Terrestre Solaire UV, Vis, proche IR IR

Fenêtres infrarouge vers 10 μm C‘est par conséquent via cette fenêtre que la terre émet le plus vers l‘espace

Radiation Flux solaire absorbé par la terre Flux radiatif émit par la terre La terre absorbe plus de radiation solaire dans les régions équatoriales ce qui explique pourquoi les températures y sont plus fortes, • La zone d’absorption maximales se déplace vers l’hémisphère nord en été et vers l’hémisphère sud en hivers. Le flux d’infrarouge réémit par la terre varie moins que le flux absorbé.

Rayonnement long ré-émis Bilan d‘énergie Rayonnement long ré-émis Deficit Rayonnement solaire incident Equateur : plus d‘énergie qui arrive que d‘énergie qui part Pôles plus d‘énergie qui part que d‘énergie qui arrive bilan Deficit

Circulation globale de la terre, sans saisons et sans rotation

Mais la terre tourne Ω V: vitesse de rotation La terre fait un tour en 24h La circonférence à l‘équateur est: 40‘075 km Soit 1670 km/h à l‘équateur Au pôle: V=0 km/h V Si il n‘y avait qu‘une seule cellule, la parcelle d‘air partant de L‘équateur arriverait avec une rotation infinie au pôle, il faut Donc plusieurs cellules. Effet du patineur.

Circulation globale Cellule polaire Front polaire Zone des vents d‘ouest Vents d‘ouest Latitude des chevaux Haute pression Cellule de Hadley Vents alizés Zone de convergence inter-tropicale Basse pression Vents alizés Cellule de Hadley Latitude des chevaux Haute Pression Vents d‘ouest Zone des vents d‘ouest 40èmes Rugissants Front polaire Cellule polaire

Front polaire (1) Source: Hack (1978)

Front polaire (2) Source : Hack (1978)

Front polaire (3) Source : Hack (1978)

Front polaire (4) Source : Hack (1978)

Front polaire (5) Source : Hack (1978)

Front polaire (6) Source : Hack (1978)

Occlusion (1) Source : Hack (1978)

Occlusion (2) Source : Hack (1978)

Toutes les observations: carte synoptique

Toutes les observations: carte synoptique

Toutes les observations: carte synoptique

Froid Chaud

Stabilité verticale Concept de parcelle (bulle) d’air Bulle d’air chaud monte : Archimède, flottabilité La pression diminue Détente adiabatique  baisse de température Augmentation de l’humidité relative  saturation Transformation vapeur d’eau en liquide (condensation) Dégagement de chaleur latente La bulle reste plus chaude que son environnement jusqu’à haute altitude C’est le mécanisme de la convection humide

Emmagrammes T θw θ r S α E P h

Décroissance de la température: Adiabatique sèche (θ = constante) Adiabatique humide (θw = constante) T P Rs (kg/kg) Γs 20° 1000 HPa 0.15 4.4(°K/km) 27° 0.23 3.7 (°K/km) -40° 300 HPa 0.004 9.27 (°K/km) <-50° 9.8 (°K/km)

Instable

Stable

Stabilité de l’air et dispersion des polluants 1) Instabilité absolue 2) Instabilité conditionnelle m m -0.5°C/100m -1°C/100m -0.5°C/100m -1°C/100m 500 500 -0.7°C/100m 400 400 300 300 200 -1.2°C/100m 200 100 100 Maintenant: tous les gradients sont possibles dans la nature: Q: que devient une bulle d’air qui sort de la cheminee et qui suit soit l’adiabatique seche soit l’adiabatique humide dans un environnement donne (courbe noire) 1.2C/100m Consequence ca monte et ca continue a monter 0.7C/100m ca depend de la temperature de depart de la bulle 10 11 12 13 14 15 °C 10 11 12 13 14 15 °C Courbe d’état (gradient de température) pour l’air ambiant Gradient de température adiabatique sec pour un air pollué sec Gradient de température pseudoadiabatique pour un air pollué humide

Stabilité de l’air et dispersion des polluants 3) Stabilité absolue 4) Inversion de température m -0.5°C/100m m -0.5°C/100m -0.3°C/100m 500 500 -0.7°C/100m -1°C/100m -1°C/100m 400 400 300 300 200 200 100 100 10 11 12 13 14 15 °C 10 11 12 13 14 15 °C Courbe d’état (gradient de température) pour l’air ambiant Gradient de température adiabatique sec pour un air pollué sec Gradient de température pseudoadiabatique pour un air pollué humide

Niveaux clefs du sondage EL LFC CCL LCL Tc

Orages

Supercellule