Microphysique des nuages : formation

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1 Microphysique des nuages : formation
Chaud Surfondu Mixte Glacé Nuages Froid Nucléation homogène Nucléation hétérogène Noyaux de condensation (CCN) Noyaux de glaciation (IN)

2 Formation des gouttelettes de nuage: la nucléation
Croissance par diffusion Agrégation par collision es(r) es(¥) Pourquoi on n’observe pas la formation de gouttelettes à 100% d ’humidité relative, quand l’air est très pur ? On a vu que les changements de phase sont des transformations thermodynamiques qui tendent à minimiser l ’énergie libre de Gibbs

3 Énergie de surface : négligeable?
 r =  La tension de vapeur d ’équilibre, à une température donnée, est la valeur de la pression partielle que correspond à l ’égalité de l ’énergie de Gibbs des différentes phases en équilibre. Cette tension dépend de la géométrie de l ’interface entre les phases. On peut définir une région de transition qui correspond à l’interface entre les deux phases. Cette région a sa propre énergie potentielle. Quand le nombre de molécules de cette région est négligeable par rapport au nombre total de molécules dans les phases l ’énergie associée à l ’expansion de la surface de séparation est négligeable. Par contre, quand la zone de transition contient plus de 10 % du nombre total de molécules, l ’énergie potentielle des molécules de l ’interface n’est plus négligeable. Soit  l ’épaisseur de la région de transition ou interface d ’un système de volume V et de surface A. Supposons que la densité de molécules est n. Le rapport entre le nombre de molécules à l ’interface est nA et le nombre totale de molécules nV. Pour le cas d ’une sphère nA/NV = 6/D, D étant le diamètre de la sphère. Supposons que  a l ’épaisseur qui correspond à 10 molécules. Le diamètre d ’une molécule d ’eau est de l ’ordre de 3x10-4 m. Pour D < 0.2 m, on ne peut pas négliger l ’énergie de surface. Un embryon de goutte est sûrement inférieur à cette taille. Il nous faut alors considérer la contribution de l ’énergie de l ’interface à l ’équilibre entre les diverses phases.

4 Énergie de surface : négligeable?
La tension de vapeur d ’équilibre, à une température donnée, est la valeur de la pression partielle que correspond à l ’égalité de l ’énergie de Gibbs des différentes phases en équilibre. Cette tension dépend de la géométrie de l ’interface entre les phases. On peut définir une région de transition qui correspond à l’interface entre les deux phases. Cette région a sa propre énergie potentielle. Quand le nombre de molécules de cette région est négligeable par rapport au nombre total de molécules dans les phases l ’énergie associée à l ’expansion de la surface de séparation est négligeable. Par contre, quand la zone de transition contient plus de 10 % du nombre total de molécules, l ’énergie potentielle des molécules de l ’interface n’est plus négligeable. Soit  l ’épaisseur de la région de transition ou interface d ’un système de volume V et de surface A. Supposons que la densité de molécules est n. Le rapport entre le nombre de molécules à l ’interface est nA et le nombre totale de molécules nV. Pour le cas d ’une sphère nA/NV = 6/D, D étant le diamètre de la sphère. Supposons que  a l ’épaisseur qui correspond à 10 molécules. Le diamètre d ’une molécule d ’eau est de l ’ordre de 3x10-4 m. Pour D < 0.2 m, on ne peut pas négliger l ’énergie de surface. Un embryon de goutte est sûrement inférieur à cette taille. Il nous faut alors considérer la contribution de l ’énergie de l ’interface à l ’équilibre entre les diverses phases.

5 Équilibre de phases: dG = 0
T, e Formation d ’un embryon de goutte liquide au sein de la vapeur d ’eau de pression e et température T

6 Variation de l ’énergie de Gibbs avec le rayon de l ’embryon.
démonstration Erreur dans les notes de cours pg. 14 ( premières équations)

7 Rayon critique : r* ou rc
où S = e/es(¥) est le rapport de saturation

8 Rapport de saturation d ’équilibre en fonction du rayon

9 Rapport de saturation d ’équilibre en fonction du rayon
La croissance dépend de la différence entre es(r) et e e < es(r) décroissance (évaporation) e > es(r) croissance (condensation) Quand le rayon de la goutte est tel que e = es(r) la goutte est stable :

10 Nucléation hétérogène
La thermodynamique statistique montre que S doit être de % pour qu’on puisse observer une nucléation homogène par cm par seconde dans l’atmosphère. Comme S est rarement supérieure à 1-2%, on observe jamais de la nucléation homogène dans l’atmosphère La nucléation (transition de phase avec formation d’une interface) requiert un substract ( noyaux de condensation).

11 La nucléation hétérogène : noyaux de condensation
Les noyaux de condensation solubles dans l ’eau diminuent la tension de vapeur d ’équilibre, es r es(r) + - La présence de molécules de soluté à la surface de la goutte fait que le flux de molécules de la surface du liquide vers la phase gazeuse diminue. L ’équilibre est atteint à des pressions de vapeur plus faibles Fraction molaire : rapport entre le nombre de moles d ’une composante donnée et le nombre de moles totale de la solution.

12 La nucléation hétérogène : loi de Raoult
Expérience temps initial quelque temps après... Fraction molaire : rapport entre le nombre de moles d ’une composante donnée et le nombre de moles totale de la solution.

13 La nucléation hétérogène : loi de Raoult
Les noyaux de condensation solubles dans l ’eau diminuent la tension de vapeur d ’équilibre, es Où  est la fraction molaire Fraction molaire : rapport entre le nombre de moles d ’une composante donnée et le nombre de moles totale de la solution.

14 La nucléation hétérogène : loi de van ’t Hoff. Soluté électrolytique

15 La nucléation hétérogène : cas d ’une goutte formée sur un aérosol électrolytique

16 La nucléation hétérogène : effet de solution ( aérosol électrolytique )

17 La nucléation hétérogène : cas d ’une goutte formée sur un aérosol électrolytique
Effet de courbure Effet de solution

18 La nucléation hétérogène : courbe de Köhler
brume “activée” a=2s/rLRvT, b=3imvM/4prLms) Quel est le terme dominant quand HR < 100% ? Pouquoi la courbe de Köhler s’approche de 1.0 quand r augmente?

19 Résumé Effet de courbure (note: pression de vapeur saturante est la pression de vapeur réquise pour l’équilibre) Augmentation de r, diminue la pression de vapeur d’équilibre à la surface de la goutte ( besoin de moins de molécules de vapeur d’eau pour que l’équilibre soit atteint) Pour atteindre l’équilibre, le flux de molécules vers la goutte est supérieur au flux de molécules sortant de la goutte (croissance) (Pourquoi se processus requiert un état de sursaturation?) Parce que ce phénomène de rétroaction positive n’a pas lieu facilement dans l’atmosphère.

20 Résumé L’effet de solution est nécessaire pour que la goutte se forme initialement (nucléation) en diminuant la sursaturation nécessaire à l’organization de la goutte d’eau. - + L’addition d’un soluté diminue la tension d’équilibre à la surface puisqu’il y a moins de molécules à la surface susceptibles de participer au flux de molécules sortant de la goutte Effet de solution Quand r augmente les effets de la solution diminuent la solution devient de plus en plus diluée par contre les effets de courbure (qui contribuent à augmenter la tension d’équilibre) diminuent aussi. - +

21 Formation des cristaux de glace dans les nuages : la nucléation de la phase solide
Surfondu Mixte Glacé Nuage froid Nucléation homogène Nucléation hétérogène Types de noyaux de congélation

22 La nucléation de la phase solide
Par analogie avec la nucléation de la phase liquide on admet qu ’il existe un rayon critique à partir duquel il devient possible la formation d ’un cristal L ’eau peut rester à l ’état liquide à des températures très inférieures à 0 °C (rappelez-vous de l ’expérience au lab.?) La nucléation homogène de la phase solide est possible seulement à des températures inférieures à -40 °C

23 Température de congélation versus la taille des gouttes

24 Mécanismes de nucléation hétérogène
Condensation solide suivie de solidification Solidification par contact par immersion La nucléation hétérogène a lieu a des températures plus élevées en présence de noyaux de condensation. L ’efficacité d ’un noyaux de glaciation dépend de la similitude entre le réseaux cristallin du noyaux et celui du cristal de glace.

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26 Mesures Loi de Fletcher A et D : hémisphère sud
C et B : hémisphère nord Autres : différentes régions du globe Loi de Fletcher T1 = -20 C 0.3<a<0.8

27 Concentration de cristaux dans les nuages
Dépend : a) de la température du sommet b) du degré de développement

28 Nb de particules de glace mesuré supérieur au nombre de noyaux glaçogènes. Pourquoi??
Simultaneous measurements of the concentration of ice particles and ice nuclei in natural clouds have shown that the concentration of ice particles can be several orders of magnitude greater than the concentration of ice nuclei effective at the cloud top temperature. However, the ratio of ice particles to ice nuclei appears to decrease sharply with decreasing cloud top temperature, and approaches a value of unity for cloud top temperatures in the neighborhood of −25C. These results suggest that the freezing of supercooled droplets is responsible for the multiplication of the number of ice particles in clouds.

29 Nb de particules de glace mesurées supérieur au nombre de noyaux glaçogènes. Pourquoi??
Simultaneous measurements of the concentration of ice particles and ice nuclei in natural clouds have shown that the concentration of ice particles can be several orders of magnitude greater than the concentration of ice nuclei effective at the cloud top temperature. However, the ratio of ice particles to ice nuclei appears to decrease sharply with decreasing cloud top temperature, and approaches a value of unity for cloud top temperatures in the neighborhood of −25C. These results suggest that the freezing of supercooled droplets is responsible for the multiplication of the number of ice particles in clouds.

30 Résumé Les gouttelettes des nuages gèlent à des très basses températures (nucléation homogène) La présence de certains aérosols, les noyaux de glaciation facilitent la solidification des gouttes (nucléation hétérogène) Le nb de noyaux de glaciation est petit dans l’atmosphère  présence de nuages surfondus ou mixtes.

31 Résumé Les gouttelettes des nuages gèlent à des très basses températures, plus les gouttes sont petites plus basse est la température de solidification homogène

32 Résumé Noyaux de congélation Par déposition Par contact Par immersion
Types Loi de Fletcher Nombre T1 = -20 C 0.3<a<0.8

33 Résumé Par fragmentation de gouttes en voie de solidification
Par fragmentation des cristaux de glace Multiplication des cristaux