Transformations adiabatiques, stabilité et instabilité de l’air

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1 Transformations adiabatiques, stabilité et instabilité de l’air
Introduction Transformations adiabatiques, stabilité et instabilité de l’air (Pré-requis:). 1. Humidité de l'air Humidité spécifique, Humidité relative, Exemple 2. Transformation adiabatique Définition, Explication , 3. stabilité. instabilité Stabilité , Instabilité, Conclusions 4. Indices révélateurs de l'état de l'air Le vent, Les nuages, Classification des nuages Mais avant cela, voyons un principe très important: Celui du refroidissement 

2 Refroidissement L’évaporation consomme beaucoup d’énergie Exemple:
Faire évaporer de l’eau d’une casserole Il faut 8 fois plus d’énergie pour évaporer l’eau que pour la chauffer! Lorsque vous sortez de votre piscine, l’eau sur votre peau s’évapore. Vous donner de l’énergie pour cela: Vous vous refroidissez! Quand vous vous nettoyez les mains avec un produit hautement volatile (acétone par ex) vous avez une sensation de froid sur les doigts. Vous donnez beaucoup d’énergie à ce niveau du corps. Quand vous utilisez un certain temps un décapeur thermique à gaz, la bouteille devient froide et la pression à l’intérieure diminue: le fonctionnement n’est plus aussi efficace qu’au début parce que le gaz liquide a donné beaucoup de Kcal pour évaporer (Etat liquide à état gazeux) ses molécules. Par conséquent, tout corps qui donne de l’énergie se refroidit  La rosée du matin se forme pendant les nuits calmes sans vent ni nuages. Le sol et le végétaux perdent leur énergie en émettant du rayonnement infra-rouge. Ce refroidissement, combiné à une HR >70% provoque une condensation au niveau de la végétation.

3 Transformations abiabatiques
Humidité spécifique Humidité de l’air L’enthalpie: Quantité de chaleur contenue dans la molécule d’air. 0 chaleur à 0°K (-273°c) (Pré-requis: Pression, température) L'état d'une particule d'air se caractérise par les paramètres :  Pression (P)  Température (T)   Humidité relative (U) L'humidité est présente dans l'atmosphère sous trois états :  Gazeux  Liquide  Solide A pression et température données, l'air ne peut contenir qu'une certaine quantité de vapeur d'eau à l'état gazeux, c'est à dire invisible. C'est son humidité spécifique. Au-delà, l'air devient hydrophobe et le surplus de vapeur va se révéler en se condensant sous forme liquide ou solide en fonction de la température.  (explication du schéma) Une molécule d’air peut subir : Une augmentation (ou diminution) de la quantité d’eau  Un refroidissement (ou un échauffement)  Ou les deux à la fois 

4 Transformations abiabatiques
Humidité relative Humidité de l’air Le rapport entre la quantité réelle de vapeur d'eau et sa quantité maximale indique l'humidité relative de l'air.  Elle s'exprime en pourcentage. (exemple : 40 % d'humidité)  EXEMPLE Un volume d'air de 1 m3 à une pression de 1015 hpa et à une température de 15° peut contenir 12 g. d'eau.  Si ce volume contient 6 g. d'eau (50%), on dira que cet air est sec ou limpide et l'eau contenue sera à l'état de vapeur (invisible).  Si ce même volume contient 12 g. d'eau (100%), on dira alors qu'il est saturé mais l'eau contenue est toujours à l'état de vapeur. A ce niveau, la masse d'air considérée à atteint le « point de rosée (due point)».  Si ce même volume contient 15 g. d'eau,  il y a alors sursaturation et le surplus d'humidité (3 g.) passe à l'état liquide ou solide en formant de fines gouttelettes qui donnent naissance à un nuage En résumé: 

5 Transformations abiabatiques
Humidité de l’air (En résumé:) A partir d’une molécule d’air à température ambiante, deux procédés peuvent conduire à un état de saturation : - Un apport supplémentaire de vapeur d'eau.  - Un refroidissement de l'air atmosphérique.   ou les 2 simultanément  Le processus le plus important dans le refroidissement de l'air et donc la formation de nuages, c'est le refroidissement par détente adiabatique (cad un refroidissement par élévation en altitude de la molécule d’air, sans échange de chaleur de cette molécule avec le milieu qui l’entoure) 

6 Transformation adiabatique
Transformations abiabatiques Transformation adiabatique Exemple 1 EXPLICATION Deux exemples de transformation adiabatique par détente de la masse d'air. Exemple 1 : Soit une masse d'air limpide (sec) à 20° devant contourner un relief.  L'air s'élève le long de la pente.   la pression diminue  détente  refroidissement  L'air redescend de l'autre côté.   la pression augmente  compression  réchauffement  Constatations et bilan sur le processus : 1) Les transformations que l'air a subi se soldent par un résultat nul. Pas de perte ni de gain de chaleur et au pied de la montagne l'air a retrouvé sa température initiale de 20°c. 2) Pour une élévation de 100 m, la diminution de température de l'air est de 1°c. C'est le gradient adiabatique sec. 3) Le gradient vertical de température de l'air en mouvement forcé (le long du relief) est supérieur à celui de l'air qui s’élève librement (Montée verticale libre) (1°c pour 100 m au lieu de 0,6°c pour 100 m: 6°c pour 1000 m ou bien 2°c pour 100 ft) Voyons un 2ème exemple 

7 Transformation adiabatique
Transformations abiabatiques Transformation adiabatique Exemple 2 Exemple 2 : La masse d'air est toujours à la même température, mais sa quantité de vapeur d'eau est plus importante.  L'air s'élève le long de la pente.  la pression diminue  détente  refroidissement  saturation  point de rosée  passage de l'eau de l'état gazeux à l'état liquide  formation d'un nuage.  L'air redescend de l'autre côté.  la pression augmente  compression  réchauffement  passage de l'eau de l'état liquide à l'état gazeux  évaporation du nuage.  Constatations et bilan sur le processus : 1) Les transformations que l'air à subit se soldent par un résultat nul. Pas de perte ni de gain de chaleur et au pied de la montagne, l'air a retrouvé sa température initiale de 20°c. 2) Après passage de la température du point de rosée, apparition d'un nuage dû au refroidissement de l'air par détente adiabatique. 3) En s'élevant, l'air saturé se refroidit moins vite que l'air limpide car la condensation libère de la chaleur. C'est le gradient adiabatique saturé et la décroissance n'est plus que de 0,6° par 100 m (au lieu de 1°c par 100 m) 

8 Stabilité - instabilité
Transformations abiabatiques Stabilité - instabilité STABILITE Des mouvements verticaux peuvent apparaître au sein même d'une masse d'air en fonction des influences qu'elle subit. STABILITE: Supposons une masse d'air dont le gradient vertical thermique est de 0,5° par 100 m. C'est à dire plus faible que le gradient adiabatique sec (Qui est de 1°c par 100 m).   Sous l'effet d'une poussée quelconque, une particule de cette masse s'élève de 100 m.   Par détente adiabatique sa température décroît de 1°.   Elle se trouve plus froide donc plus lourde que l'air ambiant.   Elle redescend pour retrouver sa position d'équilibre initiale.   Dans les même conditions, si cette particule descend de 100 m, elle sera plus chaude donc plus légère et remontera à sa position initiale.   Cette masse d'air est considérée comme stable. Voyons maintenant l’instabilité  Idem Gradient vertical DE LA MASSE D’AIR

9 Stabilité - instabilité
Transformations abiabatiques Stabilité - instabilité INSTABILITE INSTABILITE Supposons une masse d'air dont le gradient vertical thermique est de 1,2° par 100 m. C'est à dire plus important que le gradient adiabatique sec.  Sous l'effet d'une poussée quelconque, une particule de cette masse s'élève de 100 m.    Par détente adiabatique sa température décroît de 1°.  Elle se trouve plus chaude donc plus légère que l'air ambiant.    Elle va poursuivre sa montée jusqu'à ce qu'elle trouve un point d'équilibre (inversion ou isothermie ).   Cette masse d'air animée de courants verticaux sera dite instable  Idem Gradient vertical DE LA MASSE D’AIR

10 Transformations abiabatiques
CONCLUSION INSTABILITE STABILITE CONCLUSION : Le degré de stabilité ou d'instabilité d'une masse d'air, dépend du rapport entre son gradient vertical thermique et le gradient adiabatique. Tout ce qui tend à diminuer le gradient thermique vertical d'une masse d'air, le rend stable. (refroidissement par la base, réchauffement par le sommet).  Tout ce qui tend à augmenter le gradient vertical thermique d'une masse d'air, le rend instable. (réchauffement par la base, refroidissement par le sommet).  Voyons maintenant les indices révélateurs de l’état de l’air 

11 Indices révélateurs de l’état de l’air
Transformations abiabatiques Indices révélateurs de l’état de l’air Le vent (s’il y a) Air stable = vent fort et régulier Air instable = vent irrégulier et en rafale Nuages (s’il y a) Air stable = pas de mouvement convectif  Voyons la classification de ces nuages Air instable = mouvement convectif

12 Classification des nuages
Transformations abiabatiques Classification des nuages CLASSIFICATION DES NUAGES Les 10 nuages principaux sont divisés en quatre familles selon leur hauteur au-dessus du sol :  Nuages de l'étage supérieur, situés à une hauteur supérieure à 6000 m. Ils sont composés du préfixe CIRRO.   Nuages de l'étage moyen, situés à une hauteur comprise entre 2000 et 6000 m. Ils sont composés du préfixe ALTO.   Nuages de l'étage inférieur, situés à une hauteur inférieure à 2000 m qui n'ont pas de préfixe.   Nuages à grand développement vertical, qui peuvent s'étendre à tous les niveaux. Ils sont composés du préfixe NIMBO.  Chaque étage est ensuite subdivisé en fonction de l'état de stabilité de la masse d'air et donc de leur type de nuages respectifs : STRATUS ou CUMULUS. 

13 Classification des nuages
Transformations abiabatiques Classification des nuages CLASSIFICATION DES NUAGES  (Chaque étage est ensuite subdivisé en fonction de l'état de stabilité de la masse d'air et donc de leur type de nuages respectifs : STRATUS ou CUMULUS.) Enfin deux types de nuages sont dits indifférents, car on peut les trouver en masse d'air stable ou instable. CIRRUS ou STRATO-CUMULUS  Voyons quelques nuages pour imager 

14 Classification des nuages
Transformations abiabatiques Classification des nuages CLASSIFICATION DES NUAGES  (Chaque étage est ensuite subdivisé en fonction de l'état de stabilité de la masse d'air et donc de leur type de nuages respectifs : STRATUS ou CUMULUS.) Enfin deux types de nuages sont dits indifférents, car on peut les trouver en masse d'air stable ou instable. CIRRUS ou STRATO-CUMULUS  Voyons quelques nuages pour imager 