ASCENDANCE, météorologie

L’instabilité convective

Dans l’atmosphère, les mouvements horizontaux sont en moyenne beaucoup plus rapides et transportent bien plus de matière que les mouvements verticaux. Pour marquer cette différence, en météorologie, on utilise généralement les termes « advection » pour désigner les transports horizontaux et « convection » pour les déplacements d’air verticaux, ascendants ou descendants.

L’instabilité convective correspond à une situation où toute parcelle d’air soulevée devient moins dense que son environnement et subit de ce fait une poussée d’Archimède vers le haut qui tend à l’éloigner encore de son niveau d’origine. À l’inverse, toute parcelle poussée vers le bas devient plus dense que son environnement et tend à poursuivre sa chute.

Par exemple, une parcelle d’air qui serait soulevée dans une atmosphère calme subit une pression qui diminue quand l’altitude augmente. L’air de la parcelle se détend alors pour occuper un volume de plus en plus grand, il se refroidit et devient de moins en moins dense. Comme une parcelle d’air en mouvement échange peu d'énergie avec son environnement, on peut considérer en première approximation que les transformations subies se font sans échange de chaleur avec le milieu extérieur, on parle alors de transformations adiabatiques. En dehors des nuages et des précipitations, en absence de condensation et d’évaporation, l’air de la parcelle (on parle alors parfois d’air sec, même si ce dernier contient une grande quantité de vapeur d’eau) voit sa température diminuer en moyenne de 10 ⁰C par 1 000 mètres de soulèvement vertical. Ce taux de variation de la température avec l'altitude est dénommé gradient adiabatique sec. Si, dans une situation donnée, la décroissance de la température de l’environnement est supérieure à 10 ⁰C par 1 000 mètres d’altitude, alors toute parcelle d’air soulevée aura une température plus élevée que celle des milieux rencontrés au cours de son ascension ; elle sera donc moins dense que ces derniers et sa vitesse verticale sera renforcée du fait de la poussée d’Archimède. On se trouve alors dans le cas d’une instabilité convectivepour les déplacements d’air non saturé en humidité. Il est toutefois assez rare d’observer des gradients de température aussi importants en atmosphère libre, si bien que l’instabilité convective pour de l’air non saturé n’est généralement observable que près de la surface terrestre lorsque le rayonnement solaire réchauffe fortement le sol ou lorsque de l’air froid se déplace au-dessus d’une surface beaucoup plus chaude.

Supposons maintenant que notre parcelle soit saturée en humidité et que des gouttelettes de nuage se forment par condensation. Ce changement d'état d'une partie de la vapeur d’eau est accompagné d'une forte libération de chaleur latente (la condensation d'un gramme de vapeur réchauffe un kilogramme d'air d’environ 2,5 ⁰C), si bien que, lors de son ascension, l’air de cette parcelle se refroidit moins que celui d'une parcelle non saturée. On parle alors de gradient adiabatique saturé. On observe ainsi des refroidissements pouvant atteindre 9 ⁰C par 1 000 mètres dans le cas d’air très froid, mais qui ne dépassent pas 4 ⁰C par 1 000 mètres dans le cas d’air très chaud possédant beaucoup de vapeur à condenser. Dans les régions où la température est inférieure à 0 ⁰C, ce taux de refroidissement peut être encore légèrement réduit grâce à un complément de chaleur apporté par la congélation de certaines gouttelettes ou par la condensation solide d'une partie de la vapeur. L’air soulevé dans une parcelle saturée en humidité se refroidit donc moins (en moyenne 6,5°⁰C par 1 000 mètres) que celui d’une parcelle non saturée ; de ce fait, l’instabilité convective est plus fréquente pour des soulèvements[...]