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1 UNIVER SITE DU QU EBEC A MONTR E AL Départ ement des Sciences de la Terre et de l At mosphère PL AN D E C OU R S SESSION AU TOMNE 2012 THERMOD YNAMIQU E AVAN CEE PHY 4501(030) HO RAIR E : Mercre d i : 9H0 0-12H00 Loca l : PK-6265 Prof esse urs : Éric Girard Tél. : (# 332 5) C ourri el : girard.eri qam. ca L oca l : PK-6435 Eva Mo nteiro Tél. : (# 680 7) C ourri el : mont eiro.e va _ro uqam.ca L oca l : PK-2435 OB JE CTIFS DU C OURS : Cours de base, appliquant les lois de la therm odynamique à l atmosphère dans le but d expliquer les phénomènes météorol ogiques. Phénomènes de tra nsport. C ONTE N U D U CO UR S Révision de la therm odynamique classique. Les changements de phase. É quation de Clapeyron. P aramètres de mesure de la vapeur d e au de l a ir a tmosphérique. Atmosphère sèche et saturé e. Procédées thermodyna miques dans l a tmosphère. Diagra mmes aérologiques. Stabilité thermique de l a ir. M élange vertical et horizontal. Form ation des nuages et de la précipitation. Conde nsation hom ogène et hétérogè ne. Croi ssance des gouttes et cristaux par diffusion et coalescence. Proc essus de Berge ron. É quation de croissance stochastique. Types de pré cipitation. Ca ractéristiques spatio-tempore lles des systèmes de pré cipitation. MÉ TH OD E PÉDAG OG IQU E Cours magistraux et travaux pra tiques MÉ TH OD E PÉDAG OG IQU E D ÉVALU ATION Travaux pra tiques et devoirs : 20 % Testes (2) 20 % Pre mier e xamen (T hermodynamique de l atmosphère ): 30 % Deuxième examen (Physique des nuages) 30 %

2 !! RÉFÉRENCES!! Iribarne, J.V. et W.L. Godson, 1981 : Atmospheric Thermodynamics!! Curry, J. et P.J. Webster, 1999 : Thermodynamics of atmosphere and oceans.!! Riegel, C.A., 1992 : Fundamentals of atmospheric dynamics and thermodynamics.!! Rodgers, R.R., et M.K. Yau, 1989 : A short course in cloud physics, Pergamon Press, 283 pp.!! Pruppacher, H.R., et J.D. Klett, 1997 : Microphysics of Clouds and Precipitation, Reidel Publishing Company, Dordrecht, 714 pp.!! Wallace, J.M. et P.V. Hobbs, 2006 : Atmospheric Science. An introductory Survey!

3 14#novembre# Présentation#du#pl an#de#cours# Historique#de#l a#microphy sique# Caractéristiques#spatio;te mporell es#des#systèmes#précipitants# Types#et#formation#des#nuages## # 21#novembre# # 28#novembre# # 5#déce mbre # # 12#décembre# # 19#décembre# # # # # # # Potentiel#de#précipita tion# Devoir1 à remettre le 26 nov! Microstructure#des#nuages# Nucléation#des#gouttel ettes#de #nuage# Devoir#1#( à#remettre#le#28#nov):#20,#21,#22# Nucléation#des#gouttel ettes#de #nuage#(suite)# Nucléation#des#cristaux#de#g lace#dans#l es#nuage s# Examen#1#(du#début#jusqu à#microstructure#incl us)# Devoir#2#( à#remettre#le#12#décembre )#:#1#à#5#;#11#à#15,#17# # Croissance #des#g outtes#par#diffusion#de#vapeur#d eau# Formation#de#la#précipitation## Formation#de#la#précipitation#(suite)# Résol ution#des#probl èmes#6#à#10,#16,#18,#19#en#classe# Examen#final#

4 !! Devoirs: 10%! Examen intra: 10%! Examen final: 30%!! Évaluation! Les examens ont 2 parties: 1 parties de questions de compréhension des phénomènes microphysiques et une partie de problèmes (similaire aux problèmes des devoirs).!! Les examens sont à livres fermés.!

5 o o o! o! o! o! Tous les documents power point du cours seront sur le site web! people.sca.uqam.ca/~girard/4501/! Les exercices seront également sur le site web! Les devoirs sont à remettre:! o Devoir 1: Lundi 26 novembre! o Devoir 2: Mercredi12 décembre! Les solutionnaires seront disponibles quelques jours avant l examen! Plagiat: la politique facultaire s appliquera! Examens: partie problème et partie court développement! o Examen 1 couvre la matière jusqu à la microstructure (incluse)! o Examen 2 couvre toute la matière de la partie microphysique!!

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9 Afin de comprendre la formation des nuages et de la précipitation, 3 aspects importants doivent être abordés:!!! Dans ce cours (PHY 4501):!! Le cycle hydrologique (disponibilité en vapeur d eau et convergence)! Les processus microphysiques (formation des gouttes et cristaux et leurs croissance)!! L an prochain (SCA 4662):! La dynamique des nuages (stratiformes et convectifs)!

10 Les processus microphysiques! Diffusion de vapeur d eau! Nucléation homogène! Vapeur d eau! Diffusion de vapeur d eau! Nucléation homogène! Nucléation hétérogène! Aérosols! Déposition hétérogène! Gel hétérogène! Gouttes nuage! Gel homogène! Cristaux nuage! coalescence! accrétion! Effet Bergeron! agrégation! Gouttes pluie/bruine! coalescence! Grésil! accrétion! accrétion! Grêle! Neige! accrétion! Neige roulée!

11 10-1 µm! Nucléation! 10 0 µm! diffusion! µm! collision! µm! précipitation! 1 µm =10-6 m!

12 Une question centrale nous guidera afin d étudier les différents processus microphysiques et leur importance respective:!! Formation de la précipitation!!! Cette question repose sur le constat suivant: Le temps requis pour la formation d un nuage et de la préciptation est d environ 20 à 30 minutes.!!! Question: Est-ce que le processus microphysique X tel qu expliqué par la théorie peut contribuer à expliquer la formation rapide de la précipitation?! Dans ce cours, nous tenterons de répondre à cette question!! Dans le passé, d autres ont tenté de le faire avec un succès partiel, voyons voir!

13 Un peu d histoire On a longtemps pensé que les nuages étaient formés de bulles d eau. Ce n est qu en 1846 que Waller, un médecin, découvre que ce sont en fait des gouttes. Avant la classification des nuages de Lamark (1802) et Howard (1803), très peu de travaux ont été réalisés en physique des nuages. Lamarck (biologiste)! Howard (chimiste)!

14 Seul Aristote (334 avant J-C) décrit la formation des nuages.! «Le premier de ces principes, comme moteur et comme supérieur, c'est le cercle dans lequel évidemment la révolution du soleil, divisant et réunissant selon qu'il est plus rapproché ou plus loin, est cause de la génération et de la destruction des choses. La terre étant immobile, le liquide qui l'entoure vaporisé par les rayons du soleil et par toute la chaleur qui vient d'en haut, est porté vers le haut.»!! 3. «Quand la chaleur qui l'a élevé vient à manquer, soit qu'elle se disperse dans la région supérieure, soit même qu'elle s'éteigne parce qu'elle est emportée plus loin dans l'air qui est au-dessus de la terre, la vapeur refroidie par la disparition de la chaleur et par le lieu se réunit de nouveau, et redevient eau, d'air qu'elle était; l'eau ainsi reformée est portée de rechef vers la terre.»!

15 Moyen-Âge ( ): En Europe, on associe les phénomènes météos à la religion Ainsi, le tonnerre est une manifestation du diable tandis que l arcen-ciel représente une manifestation de Dieu Les travaux plus scientifiques se font plutôt en Perse, Inde et Chine (observations météos, conception des premiers instruments, etc.)

16 1875: Coulier et Aitken démontrent l importance des aérosols dans la formation des gouttes de nuage à l aide d une chambre d expension. De 1875 à 1940: Saussure (un géologue!) montre que les cristaux se forment à des températures largement sous le point de congélation (eau surfondue). Kelvin montre que la courbure de la goutte influence sa croissance. Khöler démontre que l ajout d un soluté dans une goutte influence sa croissance.

17 Bergeron/Feindeisen/Wegener: Ces trois chercheurs ont contribué de façon importante aux connaissances acquises à l époque sur la nucléation des cristaux de glace dans les nuages: 1) Ils constatent que la nucléation des cristaux ne peut se faire que sur certains aérosols. 2) Ils proposent les mécanismes par lesquels la nucléation des cristaux peut se faire 3) Ils découvrent ce que l on appelera l effet Bergeron (comportement particulier des hydrométéores dans un nuage en phase mixte).

18 En 1940, la physique des nuages se développe rapidement avec la venue des radars météorologiques. Ceux-ci sont développés d abord pour l aviation durant la deuxième grande guerre. Pour la première fois, on observe la microstructure des nuages. À partir de ce moment, l intérêt pour cette science s accroît et des travaux portant sur tous les processus microphysique et la dynamique des nuages sont nombreux. (Radar russe en 1940)! Aujourd hui encore, les nuages demeurent un des aspects de la météorologie les plus méconnus. Radar McGill!

19 The Thunderstorm Project (1946)! C est la toute première campagne de mesures en physique des nuages. Pour la première fois, les nuages convectifs (du cumulus au cumulonimbus) sont documentés.! Avions utilisés en 1946! Avions utilisés aujourd hui! Horace Byers!

20 Années 50 et 60! q Travaux de laboratoire pour étudier le processus de nucléation, condensation et les processus de collection. La plupart des bases fondamentales des théories existantes pour expliquer ces processus ont été développées durant cette période.!

21 Années 50 et 60! q L ensemmencement des nuages constitue aussi un domaine de recherche très en vogue. L ensemmencement de nuage est un procédé par lequel un avion libère des aérosols d AgI afin de faciliter la formation de cristaux et la précipitation (statique) ou encore dans le but de générer un courant vertical puissant par dégagement local de chaleur latente (dynamique).! q Les succès obtenus par ces opérations sont très mitigés et finalement la plupart des essais sont abandonnés à la fin des années 70. Ce fut cependant un domaine de recherche très actif où le financement des gouvernements était très important.! Pionnier: Vonnegut, B., 1947: The nucleation of ice formation by silver! iodide. J. Appl. Phys., 18, ! Années 70!! 40 M/ an! Années 2000!! < 0,5 M/ an!

22 Cependant, certains persistent pour des raisons économiques Cloud seeding the Moscow winter For convenience purposes, the city officials of Moscow have decided to prevent snowfall in Moscow this winter by spraying chemicals into the environment. By Amy Blume, Student Correspondent Mon, Oct at 9:23 AM EST Cloud seeding is a highly controversial weather tampering method. Using planes, chemicals (such as liquid nitrogen, silver iodide or cement) are dispersed through cloud masses to provoke or prevent precipitation. This winter, city officials in Moscow plan to save money on snow clean-up using weather chemicals. The city will employ the Air Force to disperse a variety of chemicals into local cloud masses, which will drastically lower yearly snowfall, cut down on daily traffic jams and be significantly cheaper than the usual use of snow plows. Mayor Yury Luzhkov has been a long time proponent of using chemicals to affect the weather in Moscow. On Russian holidays, like the Day of the City, the city typically uses planes and chemicals to assure dry weather. Such weather tampering is very successful in its goal, providing a beautiful day year after year for the residents of Moscow. However, a variety of drawbacks accompany such use of chemicals. While the city's new snow plan may be economical and provide immediate convenience, yearly tampering with natural environments through full Russian winters will likely lead to problems in the future. Immediate public safety should also be a concern. One year, while cloud seeding, a portion of cement failed to spread throughout the clouds and fell in one solid chunk through the roof of a suburban home. Information and photo: The Moscow Times

23 More money for seeding rain clouds this year Source Nathan Toohey at 14/03/2012 Moscow authorities are planning to spend 25 percent more money on seeding rain clouds during public holidays than was spent last year. The aviation processing of clouds will be conducted if necessary on May 9, June 12 and Sept. 2, said a City Hall source, Interfax reported. The holidays are Victory Day, Russia Day and City Day respectively. This year the authorities plan to spend 192 million rubles as apposed to 150 million rubles spent last year. (The Moscow News)

24 Autre tentative! China's largest cloud seeding assault aims to stop rain on the national parade Cloud-seeding aircraft to intercept rainclouds that threaten to cast shadow over communist party's 60th celebrations in Beijing (réf: The Guardian) Ce que le plus grand expert dans le domaine en pense! Water Expert: Cloud Seeding not a Solution Reported: 08:09 AM - Mar/19/09 University of Tel Aviv Professor Zev Levine, a renowned expert on water resources, said Thursday morning that cloud seeding is a waste of time and money. He told Voice of Israel government radio that efforts to bring more rain through seeding have not brought adequate results. Prof. Levine said that Israel must invest its efforts into desalinization and water efficiency programs. New plants for treating seawater are expected to be in operation by the summer of 2010, but Israel faces water restrictions this summer due to the fourth straight year of less than average rainfa

25 Années 60 et 70! q La modélisation numérique de l atmosphère (climat et prévision) se développe de plus en plus grâce aux ordinateurs dont la puissance croît de façon exponentielle. L accent est d abord mis sur la dynamique et graduellement les processus physiques à sous-échelle sont ajoutés dont la formation des nuages.!! ENIAC1 (1946) 5000 flops! IBM Roadrunner (2009) flops!! 2011: K computer (Japon) flops!! 2012: votre PC environ flops soit la puissance des super ordi en 1995!

26 q À partir des années 70, on délaisse les laboratoires pour se concentrer sur la simulation numérique. Les expériences de mesures sur le terrain se poursuivent cependant.! q La modélisation numérique se poursuit jusqu à nos jours.!

27 Années ! q Le climat arctique devient un centre d intérêt important pour les chercheurs. Lors d expériences de mesures sur le terrains, on découvre que l Arctique est une des régions sur Terre la plus polluée, surtout l hiver.!!! Arctique! Beijing!

28 q Beaucoup de travaux de recherche concernant les aérosols sont faits. Les aérosols seront éventuellement inclus dans les modèles numériques du climat dans les années 90 et 2000.! q Les années 80 marquent également le début d un intérêt de plus en plus grand pour le climat. C est encore vrai à ce jour. C est le commencement des modèle climatiques actuels avec l ajout des autres sous-systèmes qui forment le système climatique (hydrosphère, lithosphère, biosphère, cryosphère).! 1990! 1995! 2001! 2007!

29 Années 2000! q Intérêt marqué pour les changements climatiques liés à l augmentation des gaz à effet de serre et aux aérosols d origine anthropique.! q L intérêt plus grand pour les aérosols se traduit par un retour au expériences de laboratoire dans les années La recherche est axée sur les aérosols et leur capacité à servie de noyau glaçogène.! q Lancement de nombreux satellites scientifiques pour l observation! q Des collaborations entre modélisateurs, chimistes atmosphériques (laboratoire) et chercheurs de terrain (expériences de mesures) débutent.!

30 Les échelles spatiales couvertes par la physique/dynamique des nuages! Les nuages sont extrêment complexes en raison des processus physiques et dynamiques ainsi que la taille des hydrométéores contribuant à leur formation qui couvrent 14 échelles de grandeur!:! Dans ce cours, nous traiterons de la microphysique (10-8 à 10-3 )!! En méso-météorologie (SCA 4662), nous examinerons les échelles 10 2 à 10 6!! 10-8! 10-7! 10-6! 10-5! 10-4! 10-3! 10-0! 10 1! 10 2! 10 3! 10 4!10 5!10 6! (m)! aérosols! Gouttes de nuage! Bruine! pluie! turbulence! tornade! orages! SCM! CCM!

31 Avant d examiner la microphysique des nuages, nous allons d abord nous attarder sur la matière première servant à former les nuages, soit la vapeur d eau.!

32 Caractéristiques spatio-temporelles des systèmes précipitants Disponibilité de la vapeur d eau Circulation atmosphérique à différentes échelles La climatologie des systèmes précipitants dépend de la combinaison (favorable ou défavorable) de ces deux éléments. Ainsi, malgré la grande disponibilité en vapeur d eau des régions tropicales, la précipitation est limitée en raison de la circulation à grande échelle qui y est défavorable. D autre part, la précipitation est fréquente dans les plaines américaines malgré l absence locale de vapeur d eau. La circulation atmosphérique est cependant favorable à la précipitation.

33 L atmosphère est un des plus petits réservoirs d eau Ce réservoir se renouvelle continuellement et très rapidement relativement aux autres réservoirs.

34 Période de renouvellement des réservoirs La période de renouvellement dépend des dimensions du réservoir et de la vitesse de circulation de l eau.!

35 Le cycle hydrologique décrit le transport d eau entre les différents réservoirs

36 Équations générales du cycle hydrologique { E } = P $ w ' % ( & t ) + Q Q { } + R 0 { } { R 0 } (branche terrestre du cycle hydrologique) { } = E P $ { } + % w { } (branche atmosphérique du cycle hydrologique) & t ' ( = 0 (équation unifiée du cycle hydrologique) )

37 Équations cycle hydrologique Branche terrestre

38 Soit: E: le taux d évaporation (kg m -2 s -1 ) P: le taux de précipitation (kg m -2 s -1 ) S: le taux d emmagasinement (kg m -2 s -1 ) R u : le taux de percolation (ruisselement sous-terrain) (kg m -2 s -1 ) R 0 : le taux de ruissellement (kg m -2 s -1 ) Où R 0 et R u sont négatifs lorsque le ruissellement quitte le bassin et positifs lorsque le ruissellement entre dans le bassin. On aura alors: S = P - E - R u - R 0 Pour une grande région et une longue période de temps: { E } = P { } { } R 0

39 Équations cycle hydrologique Branche atmosphérique

40 Soit l équation de conservation pour la vapeur d eau q (humidité spécifique): dq dt = q t + q x dx dt + q y dy dt + q p dq dt = q t + V h h q + ω q p = S dp dt = S On remplace le terme d advection horizontale en utilisant l identité vectorielle suivante: On sait que pour un fluide incompressible: ==> h q ( V h ) = q h q h V h + V h h q h V h = ω p ( V h ) = q ω p + V h h q dρ dt V

41 On substitue le terme d advection dans l éq. de conservation: q t + h q q t + h q ( V h ) + q ω ( V h ) + p qω p + ω q p = S ( ) = S = e c e est le taux d évaporation c est le taux de condensation On peut développer une équation similaire pour l eau condensée (incluant liquide et solide): q c t + h q c ( V h ) + p q cω ( ) = S c = e + c

42 On additionne les 2 équations, et on obtient: q t + h q ( V h ) + p qω ( ) + q c t + h q c ( V h ) + p q cω ( ) = 0 On intègre dans la verticale sur p de p=0 à p=p 0 et on multiplie les termes par 1/g:

43 W t + h Q + W c t + h Q c = E P W c = W = E = 0 0 P 0 P 0 0 P 0 q c q dp g dp g p qω ( ) dp g Q = Q c = P = P 0 P 0 P 0 q V h q c V h dp g dp g p q cω ( ) dp g W représente la quantité intégrée de vapeur d eau dans la verticale (kg m -2 ) W c représente la quantité intégrée d eau condensée dans la verticale (kg m -2 ) Q représente le flux de vapeur d eau intégré dans la verticale (kg m -1 s -1 ) Q c représente le flux d eau condensée intégré dans la verticale (kg m -1 s -1 ) E représente le taux d évaporation (kg m -2 s -1 ) P représente le taux de précipitation (kg m -2 s -1 )

44 On peut approximer cette équation lorsque l on considère une grande région et une longue période de temps. Dans l atmosphère: q 10q c Le flux de vapeur d eau est donc beaucoup plus grand que le flux d eau condensée. On peut donc négliger Q c. Q c Q La variation locale de W est relativement grande en raison de la grande valeur de q et de sa variation avec la température tandis que les variations de W c est limité par les petites valeurs de q c. W c W t t

45 On a alors: # W $ % t & ' ( + h Q { } E P { } À travers le terme de droite, il est possible de lier les branches terrestre et atmosphérique du cycle hydrologique pour obtenir: # W $ % t & ' ( + h Q { } + R 0 { } 0 En absence d emmagasinement local (environnement saturé par exemple), la divergence du flux de vapeur d eau atmosphérique est essentiellement balancée par le ruissellement de surface.

46 Humidité spécifique 1) LES VALEURS SONT 10 FOIS PUS GRANDES AUX TROPIQUES QU AUX LATITUDE MOYENNE! 2) PLUS GRAND PRÈS DE LA SURFACE AVEC DÉCROISSANCE TRÈS RAPIDE! 3) TRANSITION NORD-SUD ENTRE LES SAISONS RÉFLÉTANT LE MAX D ENSOLEIGNEMENT (PLANÈTE EST INCLINÉE)!

47 Moyenne climatologique annuelle pour une intégration verticale de vapeur d eau, d après ERA40 ( )

48 La Relation de Clausius-Clapeyron Entre 0 C et ~30 C, la courbe d équilibre augmente exponentiellement en fonction de la température, i.e. qu il y a exponentiellement plus d eau dans sa forme vapeur lorsque la température augmente, à pression constante. C est connu sous le nom de relation de Clausius-Clapeyron et elle est une propriété critique qui définit le système climatique planétaire. Vapeur d eau intégrée à la verticale kgm -2 de s dt = Le s R v T 2 ( ) exp& T e s T $ ' ) % T ( Température à la surface (K)

49 Climatologie des vecteurs de vents près de la surface La distribution globale entre l eau et les vents (dynamiques) a un lien apparent.

50 DIVERGENCE DU VENT (dont dépend Q) h V h

51 Divergence:! u x 0 Conergence:! u x 0

52 COUVERT NUAGEUX

53 PRÉCIPITATION

54 Moyenne climatologique annuelle de précipitation d après ERA40 ( )

55 ERA40 Climatologie de l évaporation-précipitation La moyenne globale est zéro, mais la carte indique des sources et des puits d eau dans l atmosphère

56 Carte de vapeur d eau aujourd hui! Couvert nuageux sur le Globe aujourd hui!

57 Performance des modèles numériques climatiques observations!

58 Modèle numérique de l atmosphère Incompréhension des processus physiques Contraintes liées aux modèles

59 observations!

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61 LES TYPES DE NUAGES Nuages noctulescents Classification de Howard! Nuages stratosphériques polaires Nuages troposphériques polaires

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63 Nuages stratosphérique polaires

64 Nuages stratosphérique polaires Se forment à une température de C à C. Ils sont formés de cristaux et aussi de gouttelettes d acide nitrique ou sulfurique. Ces nuages sont confinés aux pôles du fait des températures très froide permettant la formation des cristaux.

65 Nuages noctulescents

66 Caractéristiques des nuages noctulescents Nuages les plus élevés Ils se forment à 83 km d altitude Ils sont observés seulement durant l été Ils se forment à l endroit le plus froid au monde, la mésopause ( C) Ils sont composés de cristaux de glace très petits d un rayon d environ 50 nm, soit 100 fois plus petit qu un cristal composant les nuages dans la troposphère! 50 nm = 0,00005 mm!

67 Peuvent être observés de la surface seulement, après le coucher du soleil Les nuages sont encore éclairés par le soleil peu de temps après le coucher du soleil en surface

68 Lien avec les changements climatiques? Ces nuages dépendent fortement de la température et de la disponibilité en vapeur d eau Le CO 2 et le CH 4 augmentent en raison de l activité humaine Augmentation du CO 2 : Réchauffe la troposphère, effet de serre Refroidit la mésosphère par augmentation de l émissivité IR vers l espace. Augmentation du CH 4 : CH 4 est oxidé par le radical OH pour former de l eau: CH 4 + OH > CH 3 + H 2 O Ces nuages constituent donc un traceur des changements du climat!

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70 Nuage polaire troposphérique Nuage optiquement mince pouvant atteindre plusieurs km d épaisseur Constitué d une faible concentration de gros cristaux Ce type de nuages peut aussi être présent dans les basses couches près de la surface: c est la précipitation en ciel clair.

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72 Formation des nuages Les nuages se forment lorsque l atmosphère devient saturé par rapport à l eau liquide ou à la glace. Puisque la tension saturante de vapeur d eau augmente avec la température, il faut donc diminuer la température de T 1 à T 2 de l air jusqu à ce que e = e s (T 2 ).! Condition essentielle: Refroidir l air! Convection Soulèvement forcé (fronts, orographie, etc.) Refroidissement radiatif Mélange de 2 masses d air

73 Le soulèvement (convectif ou synoptique)

74 Le taux de refroidissement critique: le taux adiabatique 1. Conservation d énergie : Première loi de la thermodynamique dt dp C p = Q + α dt dt Les sources/drains d énergie/chaleur externes (Q) entraînent des changements de l énergie interne d une parcelle d air (changement de température) et/ou de travail fait par/sur la parcelle d air (i.e. expansion ou contraction contre une force externe : la pression) 2. Dans un processus adiabatique, on suppose aucun mélange d air avec l extérieur de la parcelle et aucun échange d énergie (ni source ni drain). or:! dp dt = dp dz dz dt C p dt dp = α dt dt dt et dt = dt dz dz dt dp 1 Hypothèse hydrostatique : = ρg and α = dz ρ Nous donne la définition du taux de refroidissement adiabatique: ' dt $ % " & dz# = g ad C p = γ d

75 Quand l air s élève, il se refroidit de manière adiabatique. La pression de vapeur saturant de l air diminue quand la température diminue. Conséquemment, la vapeur d eau de la parcelle d air se condensera graduellement en gouttelettes de liquide. Ceci libérera de la chaleur latente et réchauffera la parcelle d air. Le taux de refroidissement pseudo-adiabatique (ou adiabatique mouillé) est moins grand que le taux adiabatique sec. Il est d environ 6,5K/km à cause de la libération de chaleur. Selon le contenu de vapeur d eau dans la parcelle d air, l atmosphère ambiant peut être instable s il se refroidit plus rapidement que -6.5K/km. Si tel est le cas, la colonne d air verticale se mélangera et la vapeur d eau se redistribuée pour que le taux de refroidissement adiabatique critique soit rétabli (ajustement convectif humide). Processus essentiel pour transférer la vapeur d eau et la chaleur de la basse à la haute troposphère.

76 Exemple de graphique thermodynamique : le téphigramme Isobare Isotherme Adiabatique sèche Pseudo-adiabatique Ligne d équisaturation

77 Exemples d atmosphères stable et instable sur un téphigramme

78 L atmosphère est souvent dans une situation de stabilité conditionnelle. Lorsqu une parcelle se déplace le long d une adiabatique sèche, elle subit une force de flottabilité au niveau de condensation par soulèvement adiabatique (LCL * ). Mais, il y a une grande région d instabilité potentielle au-dessus. Si la parcelle reçoit une force externe (ex. un élan causé par l orographie), elle peut atteindre le niveau de convection libre (LFC * ) et s élèvera spontanément à travers toute la portion instable grâce à sa propre flottabilité positive. *LCL: Lifting Condensation Level *LFC: Level of Free Convection En s élevant, la chaleur latente dégagée maintient la flottabilité positive et la précipitation est un sous-produit.

79 Refroidissement radiatif: Quelques définitions Flux radiatif: Énergie par unité de temps (J s -1 ou W) Irradiance: Flux radiatif par unité de surface (W m -2 ) Irradiance monochromatique: Flux radiatif de longueur d onde λ par unité de surface. (W m -2 ) Corps noir: Un corps qui absorbe toute l énergie qui lui est incidente (et ce à toutes les λ) et qui émet le maximum théorique d énergie radiante d un corps à température T.

80 Quelques lois importantes 1) La loi de Plank: E λ = f (λ, T) Tous les corps dont la température est plus grande que 0 K émettent de l énergie radiante dont l intensité dépend de la température du corps et de la longueur d onde. 2) La loi de Stephan-Boltzmann: E = εσ T 4 où σ = 5,67x10-8 W m -2 K -4 La quantité totale d énergie radiante émise par un corps est proportionnelle à sa température à la puissance 4.

81 3) La loi de Wien: λ m = 2897/T (µm K) La loi de Wien nous donne la longueur d onde correspondant au maximum d irradiance d un corps. E λm > E λ λ Le soleil émet des courtes longueurs d ondes avec une énergie de haute intensité. Ce rayonnement est absorbé et réchauffe la Terre. La Terre émet à des longueurs d ondes plus longues et de plus basse intensité, mais sur une spectre beaucoup plus large. Pour l équilibre radiatif, l énergie émise doit être égal à l énergie absorbée. Autrement, le système se réchaufferait et émettrait à une intensité plus élevée.

82 Spectre d émission du Soleil et de la Terre

83 Spectre d aborption des gaz atmosphériques! Alors que les gaz atmosphériques n absorbent pas la radiation entre 8 et 12 um, les nuages et le sol eux absorbent (et émettent) cette radiation!

84 Le brouillard radiatif Refroidissement radiatif de la surface Air au-dessus se refroidit aussi radiativement Augmentation de l H.R. et atteinte du point de rosée Condensation et formation de gouttes Propagation du brouillard au sommet de la couche limite. Variantes: brouillard de vallée, brouillard d advection

85 Le brouillard d évaporation (fumée de mer) Air froid au-dessus d eau plus chaude Humidification et réchauffement de l air au-dessus de l eau. Instabilité verticale et mélange avec l air au-dessus Condensation par mélange

Thermodynamique de l atmosphère

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