Processus isobariques : brouillard d’évaporation

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1 Processus isobariques : brouillard d’évaporation
Cours 7 Processus isobariques : brouillard d’évaporation

2 Table de matières Processus isobarique et diabatique
Brouillard d’advection Brouillard d’évaporation Processus isobarique et adiabatique Brouillard frontale La température du thermomètre mouillé

3 Saturation et condensation par apport de vapeur d’eau
Brouillard d’évaporation: de l’air froid se déplace sur des étendues d’eau liquide ou de surfaces humides. Le brouillard ainsi formé est peu épais à moins que d’autres facteurs interviennent. Steam Fog.—Steam fog occurs within air masses; but, unlike other air-mass fogs, which are formed by the cooling of the air temperature to the dew point, steam fog is caused by saturation of the air through evaporation of water. It occurs when cold air moves over warm water. Evaporation from the surface of the warm water easily saturates the cold air, causing fog, which rises from the surface like smoke. It should be noted that the actual process of heating cold air over a warm surface tends to produce instability. The presence of an inversion above the surface prevents steam fog from rising very high; it is usually fairly dense and persistent. This type of fog forms on clear nights over inland lakes and rivers in late fall before they freeze. It is prevalent along the Mississippi River and Ohio River at that time of year. Arctic sea smoke is the name given to steam fogs in the arctic region. It forms when cold air moves over a warmer water surface, which is most often found in breaks of the surface ice. It may also occur over the ocean surface following a cold frontal passage when the water is approximately 40°F warmer than the air passing over it. Frontal Fog.—Frontal fog is another hazard, which must be added to the list of weather problems associated with fronts. The actual fog is due to the evaporation of falling rain and occurs under the frontal surface in the cold air mass. This additional water vapor gradually saturates the air. Precipitation falls from the lifted warm air through the cold air. Evaporation from the rain continues as long as the temperature of the raindrops is higher than the temperature of the air, even though the cold air is already saturated. Naturally, the upper regions become saturated first because the temperature and dew point are lower at the higher altitude. As the evaporation from the rain continues, a layer of clouds begins to build down from the frontal surface. Eventually, this cloud layer extends to the ground and becomes fog. During the day, there may be enough turbulence caused by solar heating to keep this cloud off the ground. However, after dark, because of dying convection currents and the nocturnal cooling of the air, the ceiling drops suddenly. It is this sudden closing in after dark that makes frontal fog so dangerous. Cold fronts usually move so rapidly and have such narrowbands of precipitation and high wind speeds that cold-front fog is comparatively rare and short lived. warm-front fog, on the other hand, is fairly common. Since warm frontal systems are quite extensive, warm-front fog may cover a wide area. This type fog is also deep because it extends from the ground to the frontal surface. The clouds above the frontal surface also slow down the dissipating effect of solar heating. These factors make the warm-front fog among the most dangerous. (See fig. 5-5.)

4 Un phénomène analogue se produit au sein
d’une couche d’air traversée par des précipitations qui s’évaporent partiellement

5 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 < ew(Teau) < ew(Tair) Air: Tair, p, r, e Quand e = ew(Teau) l’évaporation s’arrête Eau: Teau Pourquoi ? Conclusion : e < ew(Tair) Il n’y aura pas de brouillard ! Cas 1 : Tair > Teau

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

7 Procédé isobarique et adiabatique
Ce qu’il faut savoir: Isobarique Adiabatique Procédé isenthalpique Chaleur latente et enthalpie: Lois de Kirchhoff:

8 Procédé isobarique et adiabatique
Système thermodynamique État initial: T, p, m, mv, mw dh = 0 État final: T’, p’, m, m’v, m’w Équation du procédé isenthalpique : démonstration

9 Procédé isobarique et adiabatique
Équation qui relie les variables d’état initiales et finales.

10 Procédé isobarique et adiabatique
Avec les approximations habituelles

11 Température du thermomètre mouillé

12 Température du thermomètre mouillé
La température du thermomètre mouillé est la température à laquelle l’air peut être refroidi, en y évaporant de l’eau à pression constante et sans échange de chaleur avec l’environnement, jusqu’à ce que l’air soit saturé.

13 Pseudo température du thermomètre mouillé (dans le diagramme aérologique ) Taw
p = 850 mb T = 10 °C r = 5 g/kg On utilise l’adiabatique saturée: Taw ~ 6 °C 1) pour une particule à un niveau donné et point de rosée donné, soulevez adiabatiquement la particule jusqu’à saturation. 2) Descendez-la maintenant selon l’adiabatique saturée jusqu’au niveau initial de la particule.

14 Pseudo température du thermomètre mouillé ( le téphigramme ) Taw
Questions 1) Décrivez le processus thermodynamique qu’on vient de faire dans le T. 2) Quelle est la température la plus élevée: Tw ou Taw ? Pourquoi? 3) Quelle est la température potentielle du thermomètre mouillé? Définition : la température qui aurait une particule d’air saturée après avoir subit une compression (détente) adiabatique jusqu’à la pression de 1000 hPa.

15 Température équivalente Te

16 Température équivalente Te
La température équivalente est définie comme la température que l’air humide atteindrait si cet air était complètement séché, par condensation de toute sa vapeur d’eau, suivant un processus isenthalpique.

17 Pseudo température équivalente Tae
p = 850 mb T = 10 °C r = 5 g/kg Tae ~ 23,5 °C 1) Pour une particule à un niveau donné et point de rosée donné, soulevez la particule jusqu’à saturation. 2) Continuez le soulèvement selon une adiabatique saturée jusqu’au niveau où cette courbe a la même pente que les adiabatiques sèches. 3) Redescendez jusqu’au niveau de pression original en suivant une adiabatique sèche.

18 Pseudo température équivalente Tae
Questions 1) Décrivez le processus thermodynamique qu’on vient de faire dans le T. 2) Quelle est la température la plus élevée: Te ou Tae ? Pourquoi? 3) Quelle est la température potentielle équivalente?

19 Représentation d ’un processus isenthalpique (diagramme eT)

20 Représentation d ’un processus isenthalpique (diagramme eT)

21 Température du thermomètre mouillé Le psychromètre
La température du thermomètre mouillé est la température à laquelle l’air peut être refroidi, en y évaporant de l’eau à pression constante et sans échange de chaleur avec l’environnement, jusqu’à qu’il soit saturé.

22 Température du thermomètre mouillé Le psychromètre
Le psychromètre nous donne T et Tw Nous pouvons alors calculer TD T Tw

23 Température du thermomètre mouillé: la température de rosée et de frimas
C’est l’équation psychrométrique. Le coefficient cpd/lv est appelé constante psychrométrique.

24 Température du thermomètre « gelé »: la température de gelée blanche

25 Refroidissement de l’air par évaporation de la pluie
L’effet de température du thermomètre mouillé est la principale cause de la chute de température observée lorsque la précipitation commence. Dans l’atmosphère réelle la température du thermomètre mouillé est une bonne estimation de la température après la pluie (tant que l’air est saturé).

26 Refroidissement de l’air par évaporation de la pluie : brouillard frontal
Air froid Air chaud Nuage Brouillard Brouillard

27 Prévision de brouillard
1. Air saturé à la surface 2. Nuits de ciel clair 3. Sol et végétation trempés 4. Vents légers 5. Faible advection d’air chaud de type polar maritime ou tropical maritime. 6. Température du point de rosée élevée 7. Faible précipitation saturant la couche limite. 8. Vent provenant d’une source d’humidité. 9. Vents de pente (ascendants).

28 Exercice d’application
p (hPa) T(°C) 1020 990 900 850 800 11 12 10 6 2 Td (°C) 9 7 4 -5 I - Tracez les profils de température et du point de rosée II - Considérez l’air au niveau de 900 hPa. Déterminez : Sa température potentielle Son humidité relative, U La température du thermomètre mouillé, Twa La température potentielle du thermomètre mouillé, wa La température équivalente Tea La température potentielle équivalente, ea

29 Exercice d’application
p (hPa) T(°C) 1020 990 900 850 800 11 12 10 6 2 Td (°C) 9 7 4 -5 I - Tracez les profils de température et du point de rosée

30 Exercice d’application
p (hPa) T(°C) 1020 990 900 850 800 11 12 10 6 2 Td (°C) 9 7 4 -5 I - Tracez les profils de température et du point de rosée II - Considérez l’air au niveau de 900 hPa. Déterminez : Sa température potentielle, 18,5 °C Son humidité relative, U, 5,6/8,5 x 100 ~ 66 % La température du thermomètre mouillé, Twa ~ 6,5 °C La température potentielle du thermomètre mouillé, wa ~11 °C La température équivalente Tea ~ 26 °C La température potentielle équivalente, ea ~ 35 °C

31 Brouillard d’advection
Lisbonne : Le pont 25 avril , 2007

32 Brouillard d’évaporation

33 Brouillard urbain Ice fog blankets downtown Winnipeg in the early morning of January 30, The temperature was -40°C. Water vapor coming from buildings, cars and industry brings the cold air to saturation and builds up as fog. Attribution: copyright 2004 T. Turrittin

34 Brouillard de pente

35 À venir … L’ascension adiabatique