La pression atmosphérique et l’origine des vents

1. 2011 Formation en météorologie La pression atmosphérique et l’origine des vents Références principales : Malardel 2009, Fondamentaux de Météorologie, ch 2 et 3 Ahrens 2009, MeteorologyToday, pp. 193-205

2. Le concept de la pression et température • Niveau moléculaire : force, par unité de surface, qu’un gaz exerce contre une surfaceen vertu des collisions aléatoires de ses molécules • Cette force est la même dans toutes les directionspuisque les trajectoires des molécules sont aléatoires : toute collision contre une surface donnée peut se faire dans toute les directions possibles • Comme la pression, la température est reliée aux mouvements moléculaires, mais ici on parle de l’énergie de mouvement moyen des molécules sans regard aux collisions éventuelles contre une surface SCA-2611 Introduction à la météorologie

3. Le concept de la pression • Si on augmente la vitesse des molécules en augmentant la température, on pourrait croire que la pression augmentera puisque les collisions seront plus violentes. • Oui en partie, maispassi on diminue la densité du gaz en question : • Un gaz chaud mais peu dense peut donc exercer la même pression sur une surface que s’il était froid et dense • Dans le premier cas, on a des molécules en moins grand nombre mais plus rapides, dans le second cas des molécules moins rapides mais plus nombreuses.Dans les deux cas, on a la même force moyenne due aux collisions, et donc la même pression. SCA-2611 Introduction à la météorologie

4. La loi des gaz parfaits • La pression, la température et la densité ou masse volumique d’un gaz comme l’air au températures et pressions caractéristiques de notre atmosphère sont en tout tempsreliées entre elles par la loi des gaz parfaits : • En plus d’obéir à la loi des gaz parfaits, l’air de l’atmosphère terrestre subit une autre contrainte fondamentale : la gravité, qui attire l’air irrémédiablement vers le sol. pression Densité ou masse volumique constante spécifique de l’air température SCA-2611 Introduction à la météorologie

5. La présence de la gravité • Pourquoi alors l’atmosphère ne s’effondre-t-elle pas complètement au sol, à nos pieds ? • L’atmosphère ajuste localement sa pression afin de soutenir son propre poids • L’air au bas d’une colonne subit le maximum de poids de l’air au-dessus de celui-ci et donc doit avoir le maximum de pression pour soutenir ce poids • L’air, disons, au milieu de la colonne n’a pas autant de poids à supporter contre la gravité (puisqu’il y a moins de masse au-dessus), et donc affichera une moins grande pression • Dans les deux cas, il s’établit un équilibre entre la force de gravité qui pousse l’air vers le bas et la pression locale qui le pousse vers le haut : l’équilibre hydrostatique • C’est pourquoi la pression barométriqueà un niveau donné est définie comme étant égale au poids de la colonne d’air au-dessus de ce niveau • À un emplacement donné , la pression barométrique diminue toujoursavec la hauteur, puisque le poids à soutenir est toujours plus faible en altitude que près du sol SCA-2611 Introduction à la météorologie

6. Variation de la pression barométrique avec la hauteur SCA-2611 Introduction à la météorologie

7. Comment mesure-t-on la pression barométrique ? • L’instrument standard servant à mesurer la pression atmosphérique est le baromètre à mercure. • L’unité SI de pression atmosphérique est le pascal (Pa – force de 1 newton/m2) • Sur les cartes météorologiques, on utilise l’hectopascal (hPa), ou 100 newtons/m2 SCA-2611 Introduction à la météorologie

8. Comment mesure-t-on la pression barométrique ? • Le poids de la colonne de mercure vers le bas égalise celui de la colonne d’air qui la force vers le haut. La hauteur de la colonne de mercure à l’équilibre est donc une mesure de la pression atmosphérique. • Une hauteur de mercure de 76 cm représente lapression atmosphérique standard, qui équivaut à 1013,25 hPa. • Si la pression atmosphérique augmente, celle-ci poussera davantage sur la surface de mercure contenu dans la cuvette, ce qui fera monter la hauteur de la colonne de mercure. L’inverse se produit lorsque la pression atmosphérique diminue. SCA-2611 Introduction à la météorologie

9. Il faut tout ramener au même niveau ! • Cette hauteur standard est le niveau moyen de la mer. • La correction appliquée est de l’ordre de 10 hPa / 100 mètres de dénivellation (à température standard). • Le résultat est une carte de la pression au niveau de la mer, et les lignes reliant les points ayant les mêmes valeurs de pression sont appelées des isobares. SCA-2611 Introduction à la météorologie

10. L’origine du vent • Le vent est le mouvement macroscopiquede l’air dans une direction donnée • Le vent, une fois créé, peut subir plusieurs forces qui l’influencent en grandeur et direction • Maisl’origine du vent est unique : • C’est la différence de pression entre deux parcelles d’air qui force l’air de la parcelle ayant la plus grande pression à se mouvoir spontanément vers la parcelle ayant la pression la moins grande. • Cette différence de pression se nomme aussigradient de pression • Cette force génératrice du vent s’appelle : force du gradient de pression • L’air se déplace toujours (au départ) d’une région de haute pression vers une région de basse pression • C’est là encore la conséquence des mouvements aléatoires des molécules de l’air ! SCA-2611 Introduction à la météorologie

11. Comment crée-t-on des gradients de pression ? • Nous nous attarderons à la création des vents horizontaux • Les vents verticaux sont toujours très faibles car la gravité s’oppose toujours et annule presque complètement vers le bas le gradient vertical de pression vers le haut • Pour générer un vent horizontal, il faut créer un gradient de pression horizontal • C’est dans ce contexte que l’on parle des régions de hautes et basses pression : différences de pression dans un même plan horizontal • Puisque nous avons vu que la pression à un niveau donné est le poids de l’air au-dessus de ce niveau, il suffit, pour changer cette pression, de faire varier le poids (ou la masse) de l’air au-dessus de ce niveau. • Nous verrons que la nature a un moyen fabuleux d’accomplir cette tâche : il suffit de faire varier la température de l’air ! • Ce concept peut être illustré par l’exemple qui suit : la circulation thermique SCA-2611 Introduction à la météorologie

12. Pour illustrer le concept de circulation thermique, considérons une colonne d’air enfermée dans un cylindre imaginaire • Les points représentent des molécules individuelles • La densité est constante partout • Supposons, dans un premier temps, que l’air ne que se dilater vers le haut SCA-2611 Introduction à la météorologie

13. La circulation thermique • En (a) : deux colonnes d’air de masse identique, donc même pression en surface SCA-2611 Introduction à la météorologie

14. La circulation thermique • En (b) : on refroidit la colonne 1, on réchauffe la colonne 2. • La colonne 1 se contracte, la colonne 2 prend de l’expansion, mais la pression en surface n’a toujours pas changé ! SCA-2611 Introduction à la météorologie

15. La circulation thermique • En (c), la pression au niveau H de la colonne 2 est supérieureque celle au niveau L de la colonne 1… pourquoi ? • Il y a plus d’air au-dessus de H qu’au dessus de L ! • La pression est donc plus grande à H qu’à L, c’est-à-dire ungradient horizontal de pression de L à H (direction dans laquelle la pression augmente) • La différence de pression de L à H crée un vent de H à L puisque la pression en H est supérieure à la pression en L SCA-2611 Introduction à la météorologie

16. La circulation thermique • Ensuite: • La pression chute en surface dans la colonne 2, et augmente en surface dans la colonne 1, ce qui crée un vent en surface de la colonne 1 vers la colonne 2. • Une convergence dans le haut de la colonne 1 force un mouvement descendant dans celle-ci, et une divergence dans le haut de la colonne 2 force un mouvement ascendant dans celle-ci. • Résultat : une circulation en boucle dans le plan vertical entre les deux colonnes H L SCA-2611 Introduction à la météorologie

17. La circulation thermique, c’est donc : • Une combinaison de réchauffement et de refroidissement de l’air causant des variations horizontales de pression en altitude et au sol • Ces variations de pression forcent l’air à se déplacer des régions de haute pression vers celles de basse pression. • Ces vents horizontaux sont accompagnés d’ascendance au-dessus des basses pressions en surface et de subsidence au-dessus des hautes pressions en surface. • Les régions d’ascension sont presque toujours associées à des nuages/précipitations, et les régions subsidentes à des régions claires, sans nuages (beau temps). SCA-2611 Introduction à la météorologie

18. En résumé… • Le vent provient des variations horizontales de la pression atmosphérique (ou barométrique) à un niveau donné • Ces variations de pression sont dues aux variations horizontales de température • Température et pression atmosphériques sont donc intimement reliées dans ce ballet aérien qu’est la circulation thermique • Un exemple réel de ce type de circulation est la brise de mer SCA-2611 Introduction à la météorologie

19. La brise de mer/lac JOUR • La brise de mer/lac est un vent local dont l’échelle spatiale est de quelques dizaines de kilomètre.En Basse-Côte-Nord, elle peut être ressentie jusqu'à une vingtaine de km au large et peut atteindre 50 km/h. NUIT SCA-2611 Introduction à la météorologie

20. Terre (18 °C) Terre (27 °C) Terre (27 °C) Mer (18 °C) Mer (18 °C) Mer (18 °C) 925 hPa • Quelques heures plus tard la température de la terre augmente tandis que celle de l'eau demeure à peu près constante grâce à la grande capacité calorifique de l'eau. 950 hPa 975 hPa Le soleil réchauffe la terre • L'air n'est pas réchauffé directement par le soleil mais plutôt indirectement par la surface. Donc au-dessus de la terre l'air est plus chaud qu'au-dessus de l'eau. Ce réchauffement peut affecter typiquement une couche de 1000 à 1500 m d'épaisseur. 925 hPa 950 hPa 975 hPa La terre réchauffe l'air au-dessus Vue en coupe verticale La brise de mer/lac • Soient des conditions isothermes et isobares à la surface, tôt un matin, par vent calme. Vue en coupe verticale Vue en coupe verticale SCA-2611 Introduction à la météorologie

21. 925 hPa Le réchauffement fait dilater l'air sur la terre 950 hPa 975 hPa Terre (27 °C) Terre (27 °C) Mer (18 °C) Mer (18 °C) • Une zone de haute pression se développe en altitude au-dessus de la terre et par conséquent, une dépression au-dessus de la mer en ressort. Un flux d'air s'établit en altitude de la terre vers la mer à cause de ce gradient de pression. Un flux s'établit en altitude de la terre vers la mer D H 925 hPa 950 hPa 975 hPa Vue en coupe verticale La brise de mer/lac • Puisque l'air chaud est moins dense, l'air au-dessus de la terre se dilate à partir du sol. Cela provoque une augmentation de la distance entre les surfaces de pression. Au-dessus de l'eau où l'air est très peu réchauffé la distance entre les surfaces de pression reste la même. Vue en coupe verticale SCA-2611 Introduction à la météorologie

22. D H 925 hPa 950 hPa La pression au sol diminue en réponse à l'écoulement en altitude 975 hPa D H Terre (27 °C) Terre (27 °C) Mer (18 °C) Mer (18 °C) D H 925 hPa • Un déplacement d'air plus frais s'établit de la mer vers la terre à cause de ce gradient de pression. 950 hPa Un déplacement d'air s'établit de la mer vers la terre en réponse à la différence de pression 975 hPa D H Vue en coupe verticale La brise de mer/lac • En réponse à l'écoulement en altitude, une dépression se développe en surface sur la terre et une haute pression sur la mer. Vue en coupe verticale SCA-2611 Introduction à la météorologie

23. Terre (27 °C) Mer (18 °C) D H 925 hPa 950 hPa L'air additionné à la surface se soulève pour remplacer l'air enlevé en altitude L'air additionné en altitude descend pour remplacer l'air enlevé à la surface 975 hPa D H La brise de mer/lac • Des mouvements verticaux s'établissent aussi en réponse aux écoulements horizontaux de l'air ce qui complète la circulation de la brise de mer. Vue en coupe verticale SCA-2611 Introduction à la météorologie

24. Résumé • La pression atmosphérique est la pression exercée par la masse d’air au dessus du point de mesure. • À un endroit donné, la pression atmosphérique change parce que la masse de la colonne d’air de surface = 1 m2, au dessus de l’endroit, a changé. • Le réchauffement ou le refroidissement d’une colonne d’air au dessus d’un endroit donné peut établir des variations de pression sur une surface de hauteur constante au dessus de la surface.

25. Résumé • Les différences de pression sur un plan horizontale créent le mouvement horizontal de l’air : le vent. • La force du gradient de pression est due aux variations spatiales de pression : • Dirigée perpendiculairement aux isobares et toujours dirigée des hautes vers les basses pressions. • Proportionnelle au gradient de pression (variation de la pression entre deux points divisée par la distance entre ces deux points). • Est la force qui cause le mouvement de l’air.

26. Cartes météorologiques • Cartes de surface (pression au niveau de la mer) • Cartes d’altitude (cartes isobariques) SCA-2611 Introduction à la météorologie

27. Les cartes de la pression au niveau moyen de la mer (PNM) • Les stations météorologiques rapportent à chaque heure la pression au niveau de la mer. • Lorsque ces valeurs sont pointées sur une carte, il est nécessairede tracer des lignes reliant les mêmes valeurs, afin de mieux visualiser la structure spatiale de la pression • Ces lignes sont des isobares. SCA-2611 Introduction à la météorologie

28. Une carte de PNM • Les « L » : centre de basses pressions – région où on observe un minimum relatif de pression • Les « H » : centres de hautes pressions - région où on observe un maximum relatif de la pression • Il y a plus de masse d’air (plus de poids) au-dessus des « H » qu’au-dessus des « L ». SCA-2611 Introduction à la météorologie

29. Les cartes de la pression en altitude (cartes isobariques) • En altitude, les cartes représentent la pression d’une manière non-intuitive, en affichant la hauteurà laquelle une pression donnée est présente, et non la pression pour une hauteur donnée. • Cela donne des cartes à pression constante oucartes isobariques SCA-2611 Introduction à la météorologie

30. À droite: la même situation en altitude telle qu’illustrée par une carte isobarique de 500 hPa. • À gauche : une carte de PNM en surface pour situation météo hypothétique TROUGH = CREUX RIDGE = CRÊTE SCA-2611 Introduction à la météorologie

31. Discussion «La pression atmosphérique normale, établie à 101,3 kPa, est une estimation de la pression moyenne des masses d’air, mesurée au niveau de la mer des régions tempérées. Une pression inférieure à 101,3 kPa est considérée comme une basse pression, alors qu’une pression supérieure à 101,3 kPa est considérée comme une haute pression.» Synergie, page 256. Pression en hPa Carte de pression au niveau moyen de la mer SCA-2611 Introduction à la météorologie

32. Discussion Synergie : section 2.4.1, page 256, paragraphe 2 «La pression atmosphérique varie également en fonction de la température de l’air. En effet, l’air chaud est moins dense que l’air froid. Ainsi une couche d’air chaud de même épaisseur qu’une couche d’air froid exercera une pression moindre.» Voir aussi figure 34, Synergie, page 256 SCA-2611 Introduction à la météorologie

33. Discussion Observatoire : page 224 Texte correct Attention à la légende de la figure 7.3 : «Plus y a des particules d’air, plus la pression est grande, car plus il y a des collisions entre les particules.» masse Nombre de moles densité pression Masse molaire de l’air Volume Constante spécifique de l’air Température SCA-2611 Introduction à la météorologie