L’EAU DANS L’ATMOSPHERE

L’EAU DANS L’ATMOSPHEREL’EAU DANS L’ATMOSPHERE

QUITTERQUITTER

La place de l’eau

Cycle de l’eau

Généralités

les 3 états

équilibre entre les 3 états

la tension saturante

la courbe de tension saturante

quelques valeurs

les retards aux changements d'état

la sursaturation

la surfusionTeneur en vapeur d’eau

le rapport de mélangele point de rosée

l’humidité relativeautres

Mesure de la teneur en vapeurVariations de l’humidité relativeLes transformations adiabatiques

principegradient adiabatique seccondensation par détenteprocessus de condensation par ascendance

Les transformations isobaresrefroidissement en surfaceadvection d'air sur un sol froid

Autres processus de condensationapport de vapeurmélange

Stabilité et instabilité

2

Premièrediapositive

La place de l’eau dans l’atmosphèreLa place de l’eau dans l’atmosphère

• Terre + Atmosphère– 1,4 milliard de km3 d’eau– 97% sont représentés par les océans

• Atmosphère seule– 13 000 km3 d’eau– soit 1/100 000 de ce volume – (petite mer intérieure de 80 km x 80 km et profonde de 2000m).– 2,5 cm en équivalent d’eau liquide condensé ramenée à la

surface terrestre– 0,25% de la masse atmosphérique dont 1% sous forme

condensée (nuages recouvrant la moitié de la surface de la terre)

3


16

Cycle de l’eau dans le système terre Cycle de l’eau dans le système terre atmosphèreatmosphère

777

23

Précipitationsdans

l'océan

Précipitationssur terre

100 unités = moyenne annuelle globale des précipitations 85,7 cm

84

16

ATMOSPHERE0,035%

EvaporationterrestreEvaporation

océanique

Ecoulement de surface

84

Transport horizontal

77 7 23

rivières : 0,03%couvert végétal : 0,06%

lacs : 0,3%eau souterraine (<800m) : 11%

eau souterraine (800 - 4000m) : 14%icebergs et glaciers : 75%

CONTINENTS97% d'origine

océanique 3% restant(eau douce)

Répartition de la totalité de l'eaudisponible sur Terre

4


Les 3 états et les changements d’étatsLes 3 états et les changements d’états

SOLIDE LIQUIDE GAZ0,334.106 J/Kg 2,5.106 J/Kg

sublimation

fusion évaporation

condensation solide

congélation condensation

Chaleur latente à 0°C et 1013 hPa

Absorption de chaleur

Libération de chaleur

5


Équilibre entre les 3 étatsÉquilibre entre les 3 états

P vapeur

températureVAPEUR

LIQUIDESOLIDE

0°C

V

S

F

6,15 hPa

V courbe de vaporisation ou courbe de tension saturante de la vapeur

100°C

1013,25 hPa

6


La tension de vapeur et la tension saturanteLa tension de vapeur et la tension saturante

Air secP=Pa

1

Air sec + vapeurP=Pa+e

2

Air sec+vapeur saturanteP=Pa+ew(t)

3

7


La courbe de tension saturante de la vapeurLa courbe de tension saturante de la vapeur

P vapeur

température1

2

3

e=0

e

e=ew

Air sec

Air saturé

t

VAPEUR

LIQUIDEAir humide

8


Quelques valeurs de eQuelques valeurs de eww

P vapeur (hPa)

Température °C 0 5 10 15 20 25 30 35

56,2

42,4

31,723,4

17,012,3 8,7 6,1

ew est une fonction croissante de la température

9


Les retards aux changements d'étatLes retards aux changements d'état (1/3)(1/3)

• vapeur liquide : la sursaturation

P vapeur

température

LIQUIDE

VAPEUR

t

e>ew

ew

Moyennant la présence de noyaux de condensation, la sursaturation n’existe pratiquement pas dans l ’atmosphère

sursaturation

VAPEUR

10


Les retards aux changements d'état Les retards aux changements d'état (2/3)(2/3)

• liquide solide : la surfusion

P vapeur

température

Surfusion généralisée dans les nuages entre 0 et -10°C/-15°C

Liquide surfondu

LIQUIDE

VAPEUR

SOLIDE

0°C

11


Les retards aux changements d’état Les retards aux changements d’état (3/3)(3/3)

• l’équilibre vapeur / liquide surfondu

P vapeur

température

Courbe de tension saturante (ew) de la vapeur prolongée pour les températures négatives ew(t) > ei(t)

Liquide surfondu

LIQUIDE

VAPEUR

SOLIDE

0°C

ei

t<0

ew

12


Teneur en vapeur d’eau Teneur en vapeur d’eau (1/4)(1/4)

• Le rapport de mélange r – rapport de la masse de vapeur à la masse d’air sec

2

r = mv/ma = v/ arw = mvsat/ma = rapport de mélange saturant ou maxi

t (°C) ew (hPa) rw (g/kg)-10 2,9 1,80 6,1 3,810 12,3 7,720 23,4 14,930 42,4 27,5

Correspondance ew rw (P=1000 hPa)

à P=1000 hPa et t=20°C l’air ne peut pas contenir plus de 14,9 g de vapeur avec 1 kg d’air sec

air sec (ma)

+vapeur «sèche» (mv)

air sec (ma)

+vapeur saturante (mv)

r = 0,622e

p-erw = 0,622

p-ew

ew

13



• La température du point de rosée td

– température à laquelle il faut refroidir à pression constante un volume d’air atmosphérique pour qu’il soit juste saturé

P vapeur (hPa)

Température °C 0 5 10 15 20 25 30 35

56,2

42,4

31,723,4

17,012,3 8,7 6,1

e=17 hPa

td te=ew(td)

14



• L’humidité relative U– rapport de la tension réelle de la vapeur à la tension saturante

P vapeur (hPa)

Température °C 0 5 10 15 20 25 30 35

56,2

42,4

31,723,4

17,012,3 8,7 6,1

e=17 hPa

t

ew=42,4 hPa

tdU # 100r

rw

e

ew(t) ew(t)

ew(td)U = 100 = 100 = 100 = 40%

17,4

42,4

15



• L’humidité spécifique– rapport de la masse de vapeur à la masse d’air atmosphérique

r1r

mmm

qva

v

+=

+=

• L’humidité absolue– rapport de la masse de vapeur au volume d’air atmosphérique

• La température virtuelle– température qu’aurait de l’air sec pris dans les mêmes conditions

de pression et de masse volumique que l’air atmosphérique considéré

TRe

Vm

Hv

vva ===

16


Mesure de la teneur en vapeurMesure de la teneur en vapeur

• Le psychromètre– e = ew(t) - AP(t-t’w)

tt’w

• Les hygromètres– condensateurs dont le diélectrique est une

substance qui absorbe une quantité de vapeur proportionnelle à l’humidité relative (station automatique, radiosonde...)

– «miroir» refroidi, relié à un faisceau optique– mèche de cheveux (hygrographe…)

• L’image satellite IR ( 6/7)

17


Variations de l’humidité relativeVariations de l’humidité relative• régulières : inverses de la température

100%100%

0%0%

T min.

HumiditéHumiditémaximalemaximale

T max.

HumiditéHumiditéminimaleminimale

• accidentelles : changement de masses d’air

18


Ra constante de l’air sec = 287,05 SI

Cpa chaleur massique à pression constante de l’air sec = 1005 SI

Les transformations adiabatiques Les transformations adiabatiques (1/5)(1/5)

• Avec une quantité de vapeur fixe et en l’absence de condensation l’air atmosphérique est considéré comme un gaz parfait évoluant sans échange de chaleur avec le milieu extérieur (évolution adiabatique ou isentropique)

• La quantité de vapeur étant relativement faible en regard de celle de l’air sec, l’air atmosphérique évolue comme de l’air sec suivant la loi :

dT

T CPa

Ra

P

dP=

T0

T P

P0

( ) CPa

Ra

=

19



• le gradient adiabatique sec

soit dT/dZ = 1°/100m (3°/1000’)

t

Z• représentation graphique

Z=100m

t=10°C

Z=500m

adiabatique1°/100m

t=6°C

dp = -.g.dz dT

T CPa

Ra

.Ra.T

-.9,8.dZ=

dZ

dT 9,8

1005= -

20



• Saturation et condensation par détente

Z0, p0

t0

C

saturation condensation

libération de chaleurpente adiabatique plus faible

Z, p

Zc, pc

r0

rw(p0,t0)U0

r0

rw(p,t)< rw(p0,t0)U

rw(pc,tc) = r0

U = 100%

Le gradient adiabatique saturé en °C/100m

ou gradient pseudo-adiabatique (fonction de p et t). Il est inférieur ou égal au gradient adiabatique sec en valeur absolue

t(°C)p

-60 -40 -20 0 20

200 0,97 0,88400 0,74700 0,82 0,581000 0,86 0,65 0,42

t

Z

l’émagramme

21


p=850

4°

pc=920

7,5°

p=950

11°


• Saturation et condensation par détente (exemple)

p0=1000

15° t

p

C

r0 =7g/kg

rw(1000,15°)=10,8g/kg

U0=70%

r0=7g/kg

rw(950,11°) = 8,5g/kg

U=82%

r0 = 7g/kg

rw(920,7.5°) = 7g/kg

U = 100%

rw(850,4°) = 6g/kgr0 = 7g/kg 6g/kgU = 100%condensation de 1gliq/kg

Exemple sur émagramme

22



• Processus de condensation par ascendance (détente)

Ascendance orographique Ascendance convective

Ascendance dépressionnaire+ + + + + +

Ascendance par turbulence

vent

DD

23


7,7 8,8 10,1 11,5 13,1 14,9 rw g/kg

T°C10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 201000

700

P Z

isobareisoth

erm

e

Isorw

Les transformations isobares Les transformations isobares (1/3)(1/3)

• Le refroidissement nocturne en surface

ttd

X

123

t = 16°Ctd = 14°Crw = 11,5r = 10,1

saturationt = 14°C = td

rw = 10,1 = r

condensationt = 12° = td

rw = 8,9 = r+(10,1-8,8) =1,3gliq

Conditions initiales

t = 20°C

rw = 14,9 g/kg

td = 14°C

r= 10,1 g/kg

P=1000 hPa

24


x10m


• Processus de condensation par refroidissement en surface– ciel clair, sol continental

rosée, gelée blanche

z

t

brouillard de rayonnement

z

t

vent calme

vent faible

sol

sol

25



• Advection d’air chaud et humide sur un sol froid

z

t

brouillard d’advection

x100m5 à 10kt

26


température eau > température air

ew

t

Autres processus de saturation Autres processus de saturation (1/2)(1/2)

• Apport de vapeur d ’eau

t

eapport de vapeur

ew

td

saturation

condensation

état initial

brouillard d’évaporation brouillards/ST «frontaux»

27


ew

t

Autres processus de saturation Autres processus de saturation (2/2)(2/2)

• Par mélange

t1

e1

e2

t2

ALGERIEMAROC

brouillard

ESPAGNEocéan atlantique mer

méditerranée

tm

em=ew

28


Stabilité et instabilité verticale Stabilité et instabilité verticale (1/4)(1/4)

• deux grands types de mouvements verticaux affectent l’atmosphère :

– à l’échelle synoptique - soulèvement en bloc d’une masse d’air (Vz # cm/sdm/s)

ascendance dépressionnaire

DD

– à l’échelle aérologique - mouvements rapides et variables de «bulles» atmosphériques (Vz # m/s)

ascendance convective

+ + + + + +

29


air ambiantP0,T0, 0

particuleP0, T0, 0

air ambiantP,Ta, a


• Equilibre vertical

Fa = ma.g = a .V.g

p = mp.g = p.V.g

ParticuleP, Tp, p

>1

=1

<1

p

Fa a

pTa

Tp= = =

RaTp

P

P

RaTa

1

ne revient pas à sa position initiale : instable

1

revient à sa position initiale : stable2

reste à sa position : indifférent3

2

3

30


z

T


• comparaison de la température prise par une particule amenée à un niveau donné, par rapport à la température ambiante

– évolution d’une particule «humide» sans changement d’état

Tp <Ta

z

T

z

T

Tp <Ta

Ta <Tp

Ta <Tp

instable

instable

stable

stableindifférent

– évolution d’une particule saturée et qui le reste• idem en changeant adiabatique par pseudo-adiabatique

Tp =Ta

Tp =Ta

31


pseudo-adiabatique

adiabatique

Z

t


• En résuméStructure thermique

Quelque soit l’état saturé ou non

Tp < Ta

stabilitéstabilité absolue

Quelque soit l’état saturé ou non

Ta < Tp

instabilitéinstabilité absolue

Particule saturée

Ta<Tp instabilitéParticule «sèche»

Tp<Ta stabilité

instabilitéconditionnelle

L’EAU DANS L’ATMOSPHEREL’EAU DANS L’ATMOSPHERE

FINFINPremièrediapositive

Documents

L’EAU DANS L’ATMOSPHERE