LEAU DANS LATMOSPHERE La place de leau Cycle

L’EAU DANS L’ATMOSPHERE 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 surfusion Teneur en vapeur d’eau le rapport de mélange le point de rosée l’humidité relative autres Mesure de la teneur en vapeur Variations de l’humidité relative Les transformations adiabatiques principe gradient adiabatique sec condensation par détente processus de condensation par ascendance Les transformations isobares refroidissement en surface advection d'air sur un sol froid Autres processus de condensation apport de vapeur mélange Stabilité et instabilité QUITTER

La place de l’eau dans l’atmosphère • Terre + Atmosphère – 1, 4 milliard de km 3 d’eau – 97% sont représentés par les océans • Atmosphère seule – – 13 000 km 3 d’eau soit 1/100 000 de ce volume (petite mer intérieure de 80 km x 80 km et profonde de 2000 m). 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) Première diapositive 2

Cycle de l’eau dans le système terre atmosphère ATMOSPHERE 0, 035% 77 84 Précipitations dans l'océan 77 Précipitations sur terre Transport horizontal Evaporation océanique 84 97% d'origine océanique 23 16 7 Evaporation terrestre 16 7 23 Ecoulement de surface 3% restant (eau douce) Répartition de la totalité de l'eau disponible sur Terre CONTINENTS rivières : 0, 03% couvert végétal : 0, 06% lacs : 0, 3% eau souterraine (<800 m) : 11% eau souterraine (800 - 4000 m) : 14% icebergs et glaciers : 75% 100 unités = moyenne annuelle globale des précipitations 85, 7 cm Première diapositive 3

Les 3 états et les changements d’états sublimation évaporation fusion SOLIDE 0, 334. 106 J/Kg congélation LIQUIDE 2, 5. 106 J/Kg condensation Absorption de chaleur GAZ Libération de chaleur condensation solide Chaleur latente à 0°C et 1013 h. Pa Première diapositive 4

Équilibre entre les 3 états P vapeur 1013, 25 h. Pa SOLIDE F 6, 15 h. Pa S LIQUIDE VAPEUR 0°C V température 100°C V courbe de vaporisation ou courbe de tension saturante de la vapeur Première diapositive 5

La tension de vapeur et la tension saturante 1 Air sec P=Pa Première diapositive 2 3 Air sec + vapeur P=Pa+e Air sec+vapeur saturante P=Pa+ew(t) 6

La courbe de tension saturante de la vapeur P vapeur e=ew 3 LIQUIDE e 2 VAPEUR 1 e=0 t Première diapositive Air saturé Air humide Air sec température 7

Quelques valeurs de ew P vapeur (h. Pa) 56, 2 42, 4 31, 7 23, 4 17, 0 12, 3 8, 7 6, 1 0 5 10 15 20 25 30 35 Température °C ew est une fonction croissante de la température Première diapositive 8

Les retards aux changements d'état (1/3) • vapeur liquide : la sursaturation P vapeur LIQUIDE sursaturation VAPEUR e>ew ew VAPEUR t température Moyennant la présence de noyaux de condensation, la sursaturation n’existe pratiquement pas dans l ’atmosphère Première diapositive 9

Les retards aux changements d'état (2/3) • liquide solide : la surfusion P vapeur LIQUIDE SOLIDE Liquide surfondu VAPEUR 0°C température Surfusion généralisée dans les nuages entre 0 et -10°C/-15°C Première diapositive 10

Les retards aux changements d’état (3/3) • l’équilibre vapeur / liquide surfondu P vapeur LIQUIDE SOLIDE Liquide surfondu ew ei VAPEUR t<0 0°C température Courbe de tension saturante (ew) de la vapeur prolongée pour les températures négatives ew(t) > ei(t) Première diapositive 11

Teneur en vapeur d’eau (1/4) • Le rapport de mélange r – rapport de la masse de vapeur à la masse d’air sec (ma) + vapeur «sèche» (mv) 2 r = mv/ma = v/ a r = 0, 622 e p-e air sec (ma) + vapeur saturante (mv) rw = mvsat/ma = rapport de mélange saturant ou maxi e rw = 0, 622 w p-ew Correspondance ew rw (P=1000 h. Pa) à P=1000 h. Pa et t=20°C l’air ne peut pas contenir plus de 14, 9 g de vapeur avec 1 kg d’air sec Première diapositive 12

Teneur en vapeur d’eau (2/4) • 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 (h. Pa) 56, 2 42, 4 31, 7 23, 4 17, 0 12, 3 8, 7 6, 1 e=17 h. Pa 0 5 e=ew(td) Première diapositive 10 15 td 20 25 30 35 Température °C t 13

Teneur en vapeur d’eau (3/4) • L’humidité relative U – rapport de la tension réelle de la vapeur à la tension saturante P vapeur (h. Pa) 56, 2 U = 100 e ew(t) = 100 ew(td) ew(t) = 100 17, 4 42, 4 = 40% 42, 4 ew=42, 4 h. Pa 31, 7 23, 4 17, 0 12, 3 8, 7 6, 1 e=17 h. Pa 0 5 U # 100 r rw Première diapositive 10 15 td 20 25 30 35 Température °C t 14

Teneur en vapeur d’eau (4/4) • L’humidité spécifique – rapport de la masse de vapeur à la masse d’air atmosphérique • 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 l’air atmosphérique considéré Première diapositive 15

Mesure de la teneur en vapeur • Le psychromètre – e = ew(t) - AP(t-t’w) t t’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 ) Première diapositive 16

Variations de l’humidité relative • régulières : inverses de la température T max. T min. 100% Humidité maximale Humidité minimale 0% • accidentelles : changement de masses d’air Première diapositive 17

Les transformations adiabatiques (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 : d. T R d. P = a T CPa P T = T 0 ( P P 0 Ra ) CPa Ra constante de l’air sec = 287, 05 SI Cpa chaleur massique à pression constante de l’air sec = 1005 SI Première diapositive 18

Les transformations adiabatiques (2/5) • le gradient adiabatique sec dp = -. g. dz d. T R -. 9, 8. d. Z d. T 9, 8 = a =T CPa . Ra. T d. Z 1005 soit d. T/d. Z = 1°/100 m (3°/1000’) • représentation graphique Z Z=500 m adiabatique 1°/100 m Z=100 m t t=6°C Première diapositive t=10°C 19

Les transformations adiabatiques (3/5) • Saturation et condensation par détente Z pente adiabatique plus faible rw(pc, tc) = r 0 U = 100% Zc, pc saturation libération de chaleur condensation C r 0 rw(p, t)< rw(p 0, t 0) U Z, p r 0 rw(p 0, t 0) U 0 Z 0, p 0 t 0 Le gradient adiabatique saturé en °C/100 m t ou gradient pseudo-adiabatique (fonction de p et t). Il est inférieur ou égal au gradient adiabatique sec en valeur absolue Première diapositive l’émagramme 20

Les transformations adiabatiques (4/5) • Saturation et condensation par détente (exemple) rw(850, 4°) = 6 g/kg r 0 = 7 g/kg 6 g/kg U = 100% condensation de 1 gliq/kg p r 0 = 7 g/kg rw(920, 7. 5°) = 7 g/kg U = 100% p=850 pc=920 r 0=7 g/kg rw(950, 11°) = 8, 5 g/kg U=82% C p=950 r 0 =7 g/kg rw(1000, 15°)=10, 8 g/kg U 0=70% p 0=1000 4° 7, 5° Première diapositive 11° 15° t Exemple sur émagramme 21

Les transformations adiabatiques (5/5) • Processus de condensation par ascendance (détente) Ascendance orographique Ascendance convective Ascendance dépressionnaire ++++++ Ascendance par turbulence vent D Première diapositive 22

Les transformations isobares (1/3) • Le refroidissement nocturne en surface Conditions initiales P Z condensation saturation isobare t = 14°C = td 700 t = 12° = td rw = 8, 9 = r rw = 10, 1 = r +(10, 1 -8, 8) =1, 3 gliq 7, 7 1000 8, 8 10, 1 11, 5 3 2 X td Isorw isotherme t = 16°C td = 14°C rw = 11, 5 r = 10, 1 t = 20°C rw = 14, 9 g/kg 14, 9 rw g/kg 13, 1 P=1000 h. Pa td = 14°C r= 10, 1 g/kg 1 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 T°C Première diapositive t 23

Les transformations isobares (2/3) • Processus de condensation par refroidissement en surface – ciel clair, sol continental z vent calme rosée, gelée blanche t sol vent faible z brouillard de rayonnement sol Première diapositive x 10 m t 24

Les transformations isobares (3/3) • Advection d’air chaud et humide sur un sol froid brouillard d’advection 5 à 10 kt Première diapositive z x 100 m t 25

Autres processus de saturation (1/2) • Apport de vapeur d ’eau ew condensation saturation apport de vapeur état initial ew e td brouillard d’évaporation Première diapositive t t brouillards/ST «frontaux» 26

Autres processus de saturation (2/2) • Par mélange ew e 2 em=ew e 1 t 1 océan atlantique tm ESPAGNE t t 2 mer méditerranée MAROC ALGERIE brouillard Première diapositive 27

Stabilité et instabilité verticale (1/4) • deux grands types de mouvements verticaux affectent l’atmosphère : ascendance dépressionnaire – à l’échelle synoptique soulèvement en bloc d’une masse d’air (Vz # cm/s dm/s) D – à l’échelle aérologique mouvements rapides et variables de «bulles» atmosphériques (Vz # m/s) ascendance convective ++++++ Première diapositive 28

Stabilité et instabilité verticale (2/4) • Equilibre vertical Fa = ma. g = a. V. g P air ambiant P, Ta, a Particule P, Tp, p >1 Ra T a Fa Tp a = =1 T P p p a Ra T p <1 1 3 2 p = mp. g = p. V. g air ambiant P 0, T 0, 0 particule P 0, T 0, 0 Première diapositive 2 ne revient pas à sa position initiale : instable revient à sa position initiale : stable 3 reste à sa position : indifférent 1 29

Stabilité et instabilité verticale (3/4) • 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 z z instable z Tp =Ta Tp <Ta Ta <Tp stable instable Tp <Ta T Ta <Tp indifférent Tp =Ta T T – évolution d’une particule saturée et qui le reste • idem en changeant adiabatique par pseudo-adiabatique Première diapositive 30

Stabilité et instabilité verticale (4/4) • En résumé Structure thermique Z Particule saturée ps ad instabilité conditionnelle e qu ati Première diapositive iab instabilité absolue -ad Ta < Tp do Quelque soit l’état saturé ou non eu iab ati Ta<Tp instabilité qu Particule «sèche» e Tp<Ta stabilité Quelque soit l’état saturé ou non Tp < Ta stabilité absolue t 31

L’EAU DANS L’ATMOSPHERE Première diapositive FIN