- 1. L’atmosphère : un mélange d’air sec et de vapeur d’eau
- 2. L’atmosphère considérée comme un gaz parfait
- 3. La vapeur d’eau atmosphérique et ses transformations
- 4. Thermodynamique et mouvements verticaux des parcelles
- 5. Stabilité et instabilités de l’atmosphère
- 6. Les transferts de chaleur par convection thermique : cellules convectives
- 7. Bibliographie
ATMOSPHÈRE Thermodynamique
Thermodynamique et mouvements verticaux des parcelles
À des températures inférieures à 20 ou 30 0C, comme celles généralement rencontrées dans l’atmosphère, l’air, même saturé en humidité, est un bon isolant : de faible conductivité thermique, il se mélange assez difficilement, si bien que celui qui se trouve dans une parcelle échange assez peu avec l’extérieur. Au cours d’une transformation, sa température et sa masse volumique peuvent ainsi rester très différentes de celles de l’air environnant, mais en revanche sa pression s’ajuste très rapidement à celle du milieu ambiant.
Même si plusieurs processus, comme l’absorption d’une partie du rayonnement solaire incident ou des échanges avec l’air environnant peuvent parfois modifier sensiblement les caractéristiques thermodynamiques d’une parcelle d’air, les quantités d’énergie mises en jeu restent toutefois limitées au regard de celles qui peuvent intervenir lors d’un changement d’état de l’eau ou, au voisinage de la surface terrestre, par turbulence, conduction et rayonnement infrarouge.
Les principales transformations subies par les parcelles d’air atmosphérique sont ainsi généralement classées en deux catégories : les transformations isobares au cours desquelles la pression reste constante ou varie faiblement, et les transformations adiabatiques qui se produisent sans échange de chaleur avec le milieu extérieur. L’étude de ces transformations définit les comportements, en particulier les mouvements verticaux des parcelles d’air, en fonction du milieu qui les entoure.
Les transformations isobares
Lorsque la surface terrestre est fortement refroidie par son rayonnement infrarouge, la nuit, ou échauffée par le Soleil dans la journée, il peut se produire d'importantes différences de température entre cette surface et l'atmosphère sus-jacente. Des écarts de 10 0C sont fréquents et, bien que la conductibilité thermique de l’air soit faible, elle est suffisante pour qu’il se refroidisse ou se réchauffe de plusieurs degrés. Par vent faible, les changements de température et de masse volumique pouvant être beaucoup plus rapides et plus importants que ceux de la pression, on assimile souvent ce type de transformations à des transformations à pression constante ou transformations isobares.
En utilisant l’équation 1 sous la forme p1 = ρ1‧R‧T1 et p2 = ρ2‧R‧T2 pour désigner respectivement l’état initial et l’état final d’une transformation, si la pression est constante, c’est-à-dire si p2 = p1, on peut alors écrire : ρ2‧T2 = ρ1‧T1 et ρ2 = ρ1‧T1/T2. On en conclut que si l'air devient plus chaud (T2 > T1), il devient aussi moins dense (ρ2 < ρ1), c’est-à-dire que les molécules présentes dans la parcelle occupent un plus grand volume. Ainsi, dans ce type de transformation, l’air plus chaud est moins dense et aura une meilleure aptitude à s’élever. À l’inverse, s’il devient plus froid, il devient plus dense, ce qui favorise son étalement sur le sol.
Les transformations adiabatiques
En altitude, l’air d’une parcelle ayant peu d’échanges avec son environnement, on considère qu’en première approximation les modifications observées se font sans échange de chaleur avec le milieu extérieur. On peut alors les qualifier de transformations adiabatiques et supposer que l’air de la parcelle considérée se comporte comme s’il était enfermé dans une enveloppe parfaitement élastique et imperméable à la chaleur, mais permettant à la pression interne de s’ajuster instantanément à la pression de son voisinage.
Les lois qui s’appliquent aux gaz parfaits montrent qu’en absence d’échange de chaleur les variations de température et de masse volumique sont reliées aux variations de pression (équations 2) :
Ainsi, si nous soulevons de 1 000 mètres une parcelle d’air non saturée en vapeur d’eau,[...]
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Écrit par
- Jean-Pierre CHALON : ingénieur général des ponts, des eaux et des forêts honoraire
Classification
Médias
Structure verticale de l’atmosphère
Encyclopædia Universalis France
Diagramme des états de l’eau
Encyclopædia Universalis France
Échanges d’énergie associés aux changements d’état de l’eau
Encyclopædia Universalis France
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