Les règles physiques 1. L évolution thermique verticale 2. L instabilité 3. Conclusion 4. Exercices 5

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1 Les règles physiques 1 L évolution thermique verticale 2 L instabilité 3 Conclusion 4 Exercices 5

2 Les mouvements de l air Les règles physiques - le mouvement de l air et de l eau est déterminée par des règles simples édictées depuis plus de 3 siècles. Le mouvement d un corps dépend des forces qui s exercent sur lui (force se définit par la direction dans laquelle elle s exerce + son intensité). La première loi de Newton sur le mouvement: «tout corps reste au repos ou continue son mouvement en ligne droite tant qu une force ne vient pas modifier cet état de fait» - au sein du système climatique, un état immobile correspond non pas à l absence de force mais à un équilibre entre plusieurs forces dont l intensité nette est nulle et les directions opposées - les mouvement verticaux de l air: - soit l air est obligé de monter mécaniquement en altitude (obstacle, convergence des vents dans les basses couches): c est la convection forcée - soit l air monte (ou descend) sous l effet des différences de densité: c est la convection libre

3 - les mouvements verticaux sont en moyenne très lents ( < 1m/s avec un maximum vers m/s dans les cumulo-nimbus) - cette faible intensité est due à l équilibre hydrostatique (équilibre entre deux forces); il y a une force qui s exerce vers le bas (force de gravité) et une force qui s exerce vers le haut (force de pression) depuis les HP de surface vers les BP d altitude = l équilibre qui résulte de l application de ses deux forces s appelle l équilibre hydrostatique et détermine la répartition de la pression atmosphérique et est directement à l origine de l évolution de la température équilibre hydrostatique force de gravité force de pression

4 L évolu3on thermique ver3cale La décroissance thermique verticale dans la troposphère - la température diminue avec l altitude pour deux raisons: - l atmosphère est surtout chauffée par le bas (RT + chaleur sensible/latente depuis la surface - la pression diminue avec l altitude - soit un volume d air (Vo) à une température (To); la pression (Po) s exerce sur lui : - si la pression diminue, le volume occupé par le gaz augmente (les chocs moléculaires sont moins intenses) et la température reflet de l agitation moléculaire diminue aussi = la dilation d un gaz entraîne donc une baisse de la température - à l inverse, la compression d un gaz le réchauffe car on augmente la pression, donc le volume d air décroît et la température augmente

5 Les adiabatiques Les règles physiques L évolu3on thermique ver3cale - la décroissance de la température avec l altitude est égale à 1 C par 100m de déplacement vertical = ce gradient s appelle l adiabatique sèche (A) - si l air contient des molécules d eau et que la saturation est atteinte lors de l ascendance = libération de chaleur latente au moment de la condensation = limitation du refroidissement. L évolution de la T dans de l air saturé est appelée la pseudo-adiabatique saturée (PAS) et varie entre 0.4 et 0.8 C par 100m diminution > 0.4 et < 0.8 C / 100m diminution = 1 C / 100m température

6 Un exemple de convection Les règles physiques L évolu3on thermique ver3cale - stratification thermique stable avec apparition d une anomalie positive dans les basses couches = convection libre

7 L évolu3on thermique ver3cale Les différentes couches thermiques de la troposphère (km) 10 stratosphère inversion stratosphérique tropopause troposphère baisse moyenne de la T avec l al(tude 5 couche d inversion couche isotherme 0 couche d inversion T

8 - en moyenne la troposphère est stable, mais l équilibre peut être rompue et de petits volumes d air peuvent subir des mouvements verticaux = c est l instabilité (qui peut être à l origine des formations nuageuses cumuléïformes) détente adiaba(que: aucun échange de chaleur avec l extérieur température

9 L émagramme simplifié Les règles physiques - l émagramme est un diagramme utilisé en météorologie permettant de connaître l état de stabilité d une colonne d air. Visualisons 3 cas théoriques: courbe d état td ts t température

10 la courbe d état est à droite de la pseudo adiaba3que saturée: dans ce cas la T diminue lentement donc t (T de l environnement) > ts (T qu aurait la parcelle si elle était saturée) > td (T de la parcelle si elle n était pas saturée) la T dans les basses couches peut même augmenter avec l al(tude: on parle alors d inversion thermique = dans ce cas l air est répar( dans le sens ver(cal conformément à sa densité (il ne bouge pas ou s affaisse) = c est la stabilité absolue

11 cas de flokabilité posi(ve plus l écart entre t et td/ts est important et plus le mouvement vers le haut sera rapide t td ts température

12 la courbe d état est à gauche de l adiaba3que sèche: dans ce cas la température diminue rapidement avec l al(tude donc t < td < ts. CeKe dernière en montant se retrouve plus chaude que son environnement et con(nue de monter parfois jusqu à la tropopause où il y a une inversion thermique qui stoppe tous les mouvements ascendants (présence d ozone dans la stratosphère) = c est l instabilité absolue l atmosphère est alors agité de mouvements ver(caux vers le haut mais aussi vers le bas par compensa(on de masse

13 cas de flokabilité condi(onnelle td < t < ts td t ts température

14 soit la courbe d état est entre les deux adiaba3ques: dans ce cas tout dépend de la satura(on de la parcelle d air. Si elle est saturée, elle monte en suivant la pseudo adiaba(que et se retrouve donc plus chaude que son environnement (instabilité absolue) soit elle n est pas saturée et suit alors l adiaba(que sèche et se retrouve donc plus froide que son environnement et retombe = stabilité absolue il s agit ici d un cas d instabilité condi3onnelle

15 Pour résumer Les règles physiques - dans la réalité, la stabilité absolue ou l instabilité absolue sont assez rares; l atmosphère est généralement en instabilité conditionnelle

16 - mais la courbe d état peut chevaucher les adiabatiques et générer des stratifications de différentes stabilité équilibre avec la temp. de l air ambiant début de la convection libre condensation température formation nuageuse dans la colonne d air

17 - la parcelle d air (PA) saturée en vapeur d eau - s élève en suivant la PAS - la condensation de la vapeur d eau génère une nébulosité verticale depuis la surface jusqu au niveau A - la PA continue de s élever depuis le niveau A jusqu à ce qu elle croise la courbe d état A : arrêt de la saturation la parcelle est saturée en vapeur d eau température

18 Convection libre et forcée Les règles physiques - il faut bien faire la différence entre la convection libre qui dépend des différences de densité au sein de l air et la convection forcée qui dépend d une force agissant sur l air et l obligeant à monter mécaniquement

19 la parcelle d air en surface n est pas saturée = si elle s élève sa température baissera selon l adiaba(que sèche. La situa(on est stable puisque la parcelle est plus froide que l environnement extérieur = elle ne peut donc pas s élever sauf si une condi(on extérieure (convergence dans les basses couches, relief ) intervient si le refroidissement entraîne sa satura(on = la parcelle d air va s élever en suivant la pseudo adiaba(que saturée (on reste dans le cas d une convec(on forcée) croisement de la courbe d état avec la courbe de la parcelle d air = convec(on libre puisque la parcelle d air en se refroidissant se retrouve toujours plus chaude que son environnement = elle monte donc jusqu à ce que la pseudo adiaba(que (ou bien l adiaba(que sèche à par(r du moment où la parcelle n est plus saturée) croise à nouveau la courbe d état

20 À retenir Les règles physiques les mouvements verticaux de l air s organisent à partir d un état d équilibre appelé équilibre hydrostatique la convection libre et la convection forcée sont à l origine des mouvements verticaux de l air l air qui s élève se refroidit selon un taux de -1 C/100m. S il est saturé, la condensation de la vapeur d eau ralentit cette baisse

21 Exercices Les règles physiques

22 Exercices Les règles physiques

23 Exercices Les règles physiques