- 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
Les transferts de chaleur par convection thermique : cellules convectives
Une fois le niveau (ou altitude) de convection libre atteint, les parcelles subissent une poussée vers le haut proportionnelle à l’écart qui existe entre leur température interne et celle du milieu environnant (voir équation 3). Leur vitesse verticale w augmente et elles accumulent de l’énergie cinétique (Ec = ½m.w2), jusqu’à rencontrer une altitude à partir de laquelle leur température devient inférieure à celle de l’environnement. La poussée s’exerçant alors vers le bas, elles perdent de l’énergie cinétique. Leur vitesse verticale diminue jusqu’à devenir nulle, marquant ainsi le sommet de la convection et celui des nuages qui pourraient y être associés.
Le déplacement des parcelles entraîne une légère dépression dans les régions quittées et une surpression dans les régions traversées où elles repoussent l’air qui se trouve sur leur passage. Une subsidence se met aussitôt en place dans le milieu environnant pour tenter de rétablir l’équilibre. Dans ce mouvement compensatoire, sa température suivant plus ou moins un gradient adiabatique sec, l’air se réchauffe plus rapidement que son environnement, si bien que la poussée d’Archimède augmente et tend à s’opposer au forçage dynamique. De telles subsidences compensatoires sont ainsi beaucoup plus lentes et donc beaucoup plus étendues que les mouvements ascendants. Des descentes d’air suivant plus ou moins un gradient pseudo-adiabatique saturé, peuvent toutefois être observées au sein de précipitations importantes et plus particulièrement d’averses. L’air, refroidi par évaporation d’une partie des précipitations, devient alors plus dense et se précipite vers le sol où il peut s’étaler sous forme d’un « courant de densité », à l’exemple des coups de vent froid accompagnant fréquemment les orages.
On appelle cellule convective l’ensemble composé d’une ascendance, de la subsidence et des précipitations éventuellement associées. Les cellules convectives ont pour fonction première de brasser l’atmosphère et de réduire l’instabilité convective qui leur a donné naissance.
La convection naturelle ou libre
Cellules de convection de Bénard
Encyclopædia Universalis France
La convection libre se développe dans un fluide dont certaines parcelles sont potentiellement plus légères que celles situées au-dessus, ce qui se produit, entre autres, lorsqu’un fluide est suffisamment réchauffé par le bas ou refroidi par le haut. Les cellules dites de Bénard formant horizontalement des figures polygonales, observables lorsqu’on fait chauffer de l’eau dans une casserole ou sur les champs de nuages vus à partir d'un avion ou sur les photos transmises par satellites, en sont un bon exemple.
Dans l’atmosphère, la convection libre démarre le plus souvent au voisinage de zones où le contraste thermique est fort du fait de différences importantes dans certaines caractéristiques du sol : capacité et conductivité thermiques, couleur, contenu en eau, végétation, rugosité… Si le réchauffement et l'humidité de l'air sont insuffisants, il n'y a pas de nuages, mais on peut néanmoins deviner la position des cheminées ascendantes, ou « thermiques », en observant les oiseaux ou les planeurs qui profitent de leur présence pour rester en l'air, parfois pendant plusieurs heures. Ces ascendances, qui peuvent monter jusqu’à 1 ou 2 kilomètres de hauteur, ont généralement un diamètre de quelques centaines de mètres et des vitesses verticales qui avoisinent 2 mètres par seconde.
Formation des nuages convectifs
Encyclopædia Universalis France
Si l'air est suffisamment humide pour atteindre son niveau de saturation pendant l'ascension, on observe de petits cumulus au sommet des cheminées thermiques. La condensation de l'eau renforce la convection en réchauffant l'air des parcelles. La couche d'arrêt et le sommet des cumulus sont alors déplacés jusqu'à une plus haute altitude. En dessous de 0 [...]
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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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