L’EAU DANS L’ATMOSPHERE

1. 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 L’EAU DANS L’ATMOSPHERE QUITTER

2. 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) La place de l’eau dans l’atmosphère

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

4. sublimation évaporation fusion congélation condensation condensation solide Les 3 états et les changements d’états Absorption de chaleur 0,334.106J/Kg 2,5.106J/Kg SOLIDE LIQUIDE GAZ Libération de chaleur Chaleur latente à 0°C et 1013 hPa

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

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

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

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

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

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

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

12. Le rapport de mélange r rapport de la masse de vapeur à la masse d’air sec air sec (ma) + vapeur «sèche» (mv) air sec (ma) + vapeur saturante (mv) e ew rw = 0,622 r = 0,622 p-e p-ew Teneur en vapeur d’eau (1/4) 2 rw = mvsat/ma = rapport de mélange saturant ou maxi r = mv/ma = v/ a 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

13. P vapeur (hPa) 56,2 42,4 31,7 23,4 17,0 12,3 8,7 6,1 Température °C 0 5 10 15 20 25 30 35 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 e=17 hPa e=ew(td) td t

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

15. 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 que l’air atmosphérique considéré

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

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

18. Ra dT Ra dP T ( P CPa ) =  = T CPa P T0 P0 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 : Ra constante de l’air sec = 287,05 SI Cpa chaleur massique à pression constante de l’air sec = 1005 SI

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

20. Z t Les transformations adiabatiques (3/5) • Saturation et condensation par détente pente adiabatique plus faible libération de chaleur rw(pc,tc) = r0 U = 100% saturation condensation C Zc, pc r0 rw(p,t)< rw(p0,t0) U Z, p r0 rw(p0,t0) U0 Z0, p0 t0 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 l’émagramme

21. p p=850 pc=920 p=950 t p0=1000 4° 7,5° 11° 15° Les transformations adiabatiques (4/5) • Saturation et condensation par détente (exemple) rw(850,4°) = 6g/kg r0 = 7g/kg 6g/kg U = 100% condensation de 1gliq/kg r0 = 7g/kg rw(920,7.5°) = 7g/kg U = 100% r0=7g/kg rw(950,11°) = 8,5g/kg U=82% C r0 =7g/kg rw(1000,15°)=10,8g/kg U0=70% Exemple sur émagramme

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

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

24. z z t t sol x10m sol Les transformations isobares (2/3) • Processus de condensation par refroidissement en surface • ciel clair, sol continental vent calme rosée, gelée blanche vent faible brouillard de rayonnement

25. z x100m 5 à 10kt t Les transformations isobares (3/3) • Advection d’air chaud et humide sur un sol froid brouillard d’advection

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

27. ew t ESPAGNE océan atlantique mer méditerranée MAROC A L G E R I E brouillard Autres processus de saturation (2/2) • Par mélange e2 em=ew e1 t1 tm t2

28. D + + + + + + 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) • à l’échelle aérologique - mouvements rapides et variables de «bulles» atmosphériques (Vz # m/s) ascendance convective

29. Fa a Tp = = = Ta p p Fa = ma.g = a .V.g P RaTa air ambiant P,Ta, a Particule P, Tp, p P RaTp p = mp.g = p.V.g 1 ne revient pas à sa position initiale : instable particule P0, T0, 0 air ambiant P0,T0, 0 2 revient à sa position initiale : stable 3 reste à sa position : indifférent Stabilité et instabilité verticale (2/4) • Equilibre vertical >1 1 =1 3 <1 2

30. z z z instable stable stable instable T T T 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 Tp =Ta Tp <Ta Ta <Tp Tp =Ta Tp <Ta indifférent Ta <Tp • évolution d’une particule saturée et qui le reste • idem en changeant adiabatique par pseudo-adiabatique

31. Z adiabatique pseudo-adiabatique t Stabilité et instabilité verticale (4/4) • En résumé Structure thermique Particule saturée Ta<Tp instabilité Particule «sèche» Tp<Ta stabilité instabilité conditionnelle Quelque soit l’état saturé ou non Ta < Tp  instabilité instabilité absolue Quelque soit l’état saturé ou non Tp < Ta stabilité stabilité absolue

32. L’EAU DANS L’ATMOSPHERE FIN Première diapositive