l’eau dans l’atmosphere
DESCRIPTION
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. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
L’EAU DANS L’ATMOSPHEREL’EAU DANS L’ATMOSPHERE
QUITTERQUITTER
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 surfusionTeneur en vapeur d’eau
le rapport de mélangele point de rosée
l’humidité relativeautres
Mesure de la teneur en vapeurVariations de l’humidité relativeLes transformations adiabatiques
principegradient adiabatique seccondensation par détenteprocessus de condensation par ascendance
Les transformations isobaresrefroidissement en surfaceadvection d'air sur un sol froid
Autres processus de condensationapport de vapeurmélange
Stabilité et instabilité
2
Premièrediapositive
La place de l’eau dans l’atmosphèreLa place de l’eau dans l’atmosphère
• 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)
3
Premièrediapositive
16
Cycle de l’eau dans le système terre Cycle de l’eau dans le système terre atmosphèreatmosphère
777
23
Précipitationsdans
l'océan
Précipitationssur terre
100 unités = moyenne annuelle globale des précipitations 85,7 cm
84
16
ATMOSPHERE0,035%
EvaporationterrestreEvaporation
océanique
Ecoulement de surface
84
Transport horizontal
77 7 23
rivières : 0,03%couvert végétal : 0,06%
lacs : 0,3%eau souterraine (<800m) : 11%
eau souterraine (800 - 4000m) : 14%icebergs et glaciers : 75%
CONTINENTS97% d'origine
océanique 3% restant(eau douce)
Répartition de la totalité de l'eaudisponible sur Terre
4
Premièrediapositive
Les 3 états et les changements d’étatsLes 3 états et les changements d’états
SOLIDE LIQUIDE GAZ0,334.106 J/Kg 2,5.106 J/Kg
sublimation
fusion évaporation
condensation solide
congélation condensation
Chaleur latente à 0°C et 1013 hPa
Absorption de chaleur
Libération de chaleur
5
Premièrediapositive
Équilibre entre les 3 étatsÉquilibre entre les 3 états
P vapeur
températureVAPEUR
LIQUIDESOLIDE
0°C
V
S
F
6,15 hPa
V courbe de vaporisation ou courbe de tension saturante de la vapeur
100°C
1013,25 hPa
6
Premièrediapositive
La tension de vapeur et la tension saturanteLa tension de vapeur et la tension saturante
Air secP=Pa
1
Air sec + vapeurP=Pa+e
2
Air sec+vapeur saturanteP=Pa+ew(t)
3
7
Premièrediapositive
La courbe de tension saturante de la vapeurLa courbe de tension saturante de la vapeur
P vapeur
température1
2
3
e=0
e
e=ew
Air sec
Air saturé
t
VAPEUR
LIQUIDEAir humide
8
Premièrediapositive
Quelques valeurs de eQuelques valeurs de eww
P vapeur (hPa)
Température °C 0 5 10 15 20 25 30 35
56,2
42,4
31,723,4
17,012,3 8,7 6,1
ew est une fonction croissante de la température
9
Premièrediapositive
Les retards aux changements d'étatLes retards aux changements d'état (1/3)(1/3)
• vapeur liquide : la sursaturation
P vapeur
température
LIQUIDE
VAPEUR
t
e>ew
ew
Moyennant la présence de noyaux de condensation, la sursaturation n’existe pratiquement pas dans l ’atmosphère
sursaturation
VAPEUR
10
Premièrediapositive
Les retards aux changements d'état Les retards aux changements d'état (2/3)(2/3)
• liquide solide : la surfusion
P vapeur
température
Surfusion généralisée dans les nuages entre 0 et -10°C/-15°C
Liquide surfondu
LIQUIDE
VAPEUR
SOLIDE
0°C
11
Premièrediapositive
Les retards aux changements d’état Les retards aux changements d’état (3/3)(3/3)
• l’équilibre vapeur / liquide surfondu
P vapeur
température
Courbe de tension saturante (ew) de la vapeur prolongée pour les températures négatives ew(t) > ei(t)
Liquide surfondu
LIQUIDE
VAPEUR
SOLIDE
0°C
ei
t<0
ew
12
Premièrediapositive
Teneur en vapeur d’eau Teneur en vapeur d’eau (1/4)(1/4)
• Le rapport de mélange r – rapport de la masse de vapeur à la masse d’air sec
2
r = mv/ma = v/ arw = mvsat/ma = rapport de mélange saturant ou maxi
t (°C) ew (hPa) rw (g/kg)-10 2,9 1,80 6,1 3,810 12,3 7,720 23,4 14,930 42,4 27,5
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
air sec (ma)
+vapeur «sèche» (mv)
air sec (ma)
+vapeur saturante (mv)
r = 0,622e
p-erw = 0,622
p-ew
ew
13
Premièrediapositive
Teneur en vapeur d’eau Teneur en vapeur d’eau (2/4)(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
P vapeur (hPa)
Température °C 0 5 10 15 20 25 30 35
56,2
42,4
31,723,4
17,012,3 8,7 6,1
e=17 hPa
td te=ew(td)
14
Premièrediapositive
Teneur en vapeur d’eau Teneur en vapeur d’eau (3/4)(3/4)
• L’humidité relative U– rapport de la tension réelle de la vapeur à la tension saturante
P vapeur (hPa)
Température °C 0 5 10 15 20 25 30 35
56,2
42,4
31,723,4
17,012,3 8,7 6,1
e=17 hPa
t
ew=42,4 hPa
tdU # 100r
rw
e
ew(t) ew(t)
ew(td)U = 100 = 100 = 100 = 40%
17,4
42,4
15
Premièrediapositive
Teneur en vapeur d’eau Teneur en vapeur d’eau (4/4)(4/4)
• L’humidité spécifique– rapport de la masse de vapeur à la masse d’air atmosphérique
r1r
mmm
qva
v
+=
+=
• 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
TRe
Vm
Hv
vva ===
16
Premièrediapositive
Mesure de la teneur en vapeurMesure de la teneur en vapeur
• Le psychromètre– e = ew(t) - AP(t-t’w)
tt’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
Premièrediapositive
Variations de l’humidité relativeVariations de l’humidité relative• régulières : inverses de la température
100%100%
0%0%
T min.
HumiditéHumiditémaximalemaximale
T max.
HumiditéHumiditéminimaleminimale
• accidentelles : changement de masses d’air
18
Premièrediapositive
Ra constante de l’air sec = 287,05 SI
Cpa chaleur massique à pression constante de l’air sec = 1005 SI
Les transformations adiabatiques Les transformations adiabatiques (1/5)(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 :
dT
T CPa
Ra
P
dP=
T0
T P
P0
( ) CPa
Ra
=
19
Premièrediapositive
Les transformations adiabatiques Les transformations adiabatiques (2/5)(2/5)
• le gradient adiabatique sec
soit dT/dZ = 1°/100m (3°/1000’)
t
Z• représentation graphique
Z=100m
t=10°C
Z=500m
adiabatique1°/100m
t=6°C
dp = -.g.dz dT
T CPa
Ra
.Ra.T
-.9,8.dZ=
dZ
dT 9,8
1005= -
20
Premièrediapositive
Les transformations adiabatiques Les transformations adiabatiques (3/5)(3/5)
• Saturation et condensation par détente
Z0, p0
t0
C
saturation condensation
libération de chaleurpente adiabatique plus faible
Z, p
Zc, pc
r0
rw(p0,t0)U0
r0
rw(p,t)< rw(p0,t0)U
rw(pc,tc) = r0
U = 100%
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
t(°C)p
-60 -40 -20 0 20
200 0,97 0,88400 0,74700 0,82 0,581000 0,86 0,65 0,42
t
Z
l’émagramme
21
Premièrediapositive
p=850
4°
pc=920
7,5°
p=950
11°
Les transformations adiabatiques Les transformations adiabatiques (4/5)(4/5)
• Saturation et condensation par détente (exemple)
p0=1000
15° t
p
C
r0 =7g/kg
rw(1000,15°)=10,8g/kg
U0=70%
r0=7g/kg
rw(950,11°) = 8,5g/kg
U=82%
r0 = 7g/kg
rw(920,7.5°) = 7g/kg
U = 100%
rw(850,4°) = 6g/kgr0 = 7g/kg 6g/kgU = 100%condensation de 1gliq/kg
Exemple sur émagramme
22
Premièrediapositive
Les transformations adiabatiques Les transformations adiabatiques (5/5)(5/5)
• Processus de condensation par ascendance (détente)
Ascendance orographique Ascendance convective
Ascendance dépressionnaire+ + + + + +
Ascendance par turbulence
vent
DD
23
Premièrediapositive
7,7 8,8 10,1 11,5 13,1 14,9 rw g/kg
T°C10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 201000
700
P Z
isobareisoth
erm
e
Isorw
Les transformations isobares Les transformations isobares (1/3)(1/3)
• Le refroidissement nocturne en surface
ttd
X
123
t = 16°Ctd = 14°Crw = 11,5r = 10,1
saturationt = 14°C = td
rw = 10,1 = r
condensationt = 12° = td
rw = 8,9 = r+(10,1-8,8) =1,3gliq
Conditions initiales
t = 20°C
rw = 14,9 g/kg
td = 14°C
r= 10,1 g/kg
P=1000 hPa
24
Premièrediapositive
x10m
Les transformations isobares Les transformations isobares (2/3)(2/3)
• Processus de condensation par refroidissement en surface– ciel clair, sol continental
rosée, gelée blanche
z
t
brouillard de rayonnement
z
t
vent calme
vent faible
sol
sol
25
Premièrediapositive
Les transformations isobares Les transformations isobares (3/3)(3/3)
• Advection d’air chaud et humide sur un sol froid
z
t
brouillard d’advection
x100m5 à 10kt
26
Premièrediapositive
température eau > température air
ew
t
Autres processus de saturation Autres processus de saturation (1/2)(1/2)
• Apport de vapeur d ’eau
t
eapport de vapeur
ew
td
saturation
condensation
état initial
brouillard d’évaporation brouillards/ST «frontaux»
27
Premièrediapositive
ew
t
Autres processus de saturation Autres processus de saturation (2/2)(2/2)
• Par mélange
t1
e1
e2
t2
ALGERIEMAROC
brouillard
ESPAGNEocéan atlantique mer
méditerranée
tm
em=ew
28
Premièrediapositive
Stabilité et instabilité verticale Stabilité et instabilité verticale (1/4)(1/4)
• deux grands types de mouvements verticaux affectent l’atmosphère :
– à l’échelle synoptique - soulèvement en bloc d’une masse d’air (Vz # cm/sdm/s)
ascendance dépressionnaire
DD
– à l’échelle aérologique - mouvements rapides et variables de «bulles» atmosphériques (Vz # m/s)
ascendance convective
+ + + + + +
29
Premièrediapositive
air ambiantP0,T0, 0
particuleP0, T0, 0
air ambiantP,Ta, a
Stabilité et instabilité verticale Stabilité et instabilité verticale (2/4)(2/4)
• Equilibre vertical
Fa = ma.g = a .V.g
p = mp.g = p.V.g
ParticuleP, Tp, p
>1
=1
<1
p
Fa a
pTa
Tp= = =
RaTp
P
P
RaTa
1
ne revient pas à sa position initiale : instable
1
revient à sa position initiale : stable2
reste à sa position : indifférent3
2
3
30
Premièrediapositive
z
T
Stabilité et instabilité verticale Stabilité et instabilité verticale (3/4)(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
z
T
z
T
Tp <Ta
Ta <Tp
Ta <Tp
instable
instable
stable
stableindifférent
– évolution d’une particule saturée et qui le reste• idem en changeant adiabatique par pseudo-adiabatique
Tp =Ta
Tp =Ta
31
Premièrediapositive
pseudo-adiabatique
adiabatique
Z
t
Stabilité et instabilité verticale Stabilité et instabilité verticale (4/4)(4/4)
• En résuméStructure thermique
Quelque soit l’état saturé ou non
Tp < Ta
stabilitéstabilité absolue
Quelque soit l’état saturé ou non
Ta < Tp
instabilitéinstabilité absolue
Particule saturée
Ta<Tp instabilitéParticule «sèche»
Tp<Ta stabilité
instabilitéconditionnelle
L’EAU DANS L’ATMOSPHEREL’EAU DANS L’ATMOSPHERE
FINFINPremièrediapositive