Météorologie Comprendre les phénomènes météorologiques, et leur observation. Documentation Site Météo AQUOPS-CyberScol, 1995-2012 pour les Images et textes. Mise en page SRPM Guy
Sommaire Notions de Météorologie Sommaire Notions de Météorologie...2 Formation de l Atmosphère de la Terre...3 Les Régions Atmosphériques...3 La Pression Atmosphérique...4 Mesure de la Pression Atmosphérique...5 Pression Atmosphérique & Altitude...6 Variation de la horizontale de la pression atmosphérique...6 Les Isobares...7 Dépression et Anticyclone...8 Le Vent...9 Les Vents Locaux...10 La Mesure de la Vitesse du Vent...11 La Mesure de la Direction du Vent...12 Le Vent: Développement d une Dépression...13 La Formation des Nuages...14 Effet d un Ciel Nuageux...15 Les Nuages, étage supérieur et moyen...16 Les Nuages, étage inférieur et à extension verticale...17 La précipitation : terminologie...18 La précipitation: processus de Bergeron...19 La précipitation: Bruine & Grésil...20 La précipitation: Pluie & pluie verglaçante...21 Les Orages, leur formation, les éclairs...22 Les Orages, le tonnerre...23 La prévision météo: types de prévisions...24 Lire une carte météo...25 Les symboles du temps:...26 Les symboles du temps: les vents...27 2
Formation de l Atmosphère de la Terre Les Régions Atmosphériques La formation de l atmosphère de la terre À mesure que la Terre se refroidissait, d'énormes quantités de méthane, d'ammoniac, de vapeur d'eau et de gaz carbonique furent expulsés du centre de la Terre vers l'extérieur. Cela constitua la première atmosphère de la Terre. Cette atmosphère, agissant comme une serre, permit de réduire la perte de chaleur de la Terre vers l'espace et notre planète demeura ainsi assez chaude pour que puisse naître la vie. Sa température se situait probablement entre 15 et 30 oc. Ensuite, il y a environ 4,5 milliards d'années, la vapeur d'eau s'est condensée pour former les océans. Le gaz carbonique se combina à des minéraux et fut absorbé par les océans, et il fut utilisé par les premiers êtres vivants. L'azote est resté dans l'atmosphère parce que cet élément réagit peu avec les autres. Il y a 3 milliards d'années, l'atmosphère contenait encore peu d'oxygène. Des réactions chimiques compliquées entre le méthane, l'ammoniac, l'eau et le rayonnement solaire donnèrent naissance à une couche d'ozone. Celle-ci joue un rôle important dans l'évolution de la vie sur Terre, car elle empêche une grande partie des rayons solaires ultraviolets, qui sont nuisibles à la vie, de se rendre jusqu'au sol. Les premières plantes apparurent il y a 2 milliards d'années et transformèrent une grande partie du gaz carbonique en oxygène. Ce processus se poursuit toujours et l'atmosphère d'aujourd'hui contient environ 78 % d'azote et 21 % d'oxygène. L'atmosphère actuelle est faite d'un mélange de gaz et de particules qui entourent notre planète. L'atmosphère est si mince qu'on peut se représenter son épaisseur relativement à la Terre comme la pelure d'une pomme relativement à l'ensemble du fruit. C'est la force d'attraction de la Terre qui retient l'atmosphère autour du globe. Les Régions Atmosphériques La terre est entourée d'une mince couche gazeuse : l'atmosphère. L'atmosphère joue le rôle de bouclier protecteur pour toutes les espèces vivantes qui habitent à la surface du globe. En outre, elle les isole de l'espace glacé et menaçant et les protège des rayons ultraviolets. L'atmosphère peut être divisée en quatre régions principales : la troposphère, la stratosphère, la mésosphère et la thermosphère. Ce sont les variations verticales de la température de l'air qui définissent la division de l'atmosphère en quatre grandes régions. La couche la plus haute est la THERMOSPHÈRE. Dans cette couche, la température augmente avec l'altitude et peut atteindre environ 100 degrés Celsius. La thermosphère atteint des milliers de kilomètres d'altitude et disparaît graduellement dans l'espace. La thermosphère est la région où près des pôles se forment les aurores boréales et australes La partie inférieure de la thermosphère est appelée l'ionosphère. L'ionosphère réfléchit les ondes courtes (ondes radio). Ces ondes, émises par un émetteur, rebondissent sur l'ionosphère et sont renvoyées vers la Terre. Si elles sont retournées avec un certain angle, elles peuvent faire presque le tour du globe. L'ionosphère permet donc de communiquer avec des régions très éloignées. 3
La Pression Atmosphérique La Pression Atmosphérique La pression atmosphérique est l'une des variables météorologiques qui déterminent les conditions météorologiques. Pour prévoir le temps, il est donc nécessaire d'en connaître la variation géographique et temporelle. Qu'est-ce qu'on entend par pression atmosphérique? On compare souvent l'atmosphère à une énorme piscine au fond de laquelle on vit. En effet, l'air est un fluide gazeux tandis que l'eau est une fluide liquide. Dans les deux cas, que ce soit dans l'atmosphère ou dans la piscine, le fluide exerce une force sur toutes les faces des choses et des êtres vivants. On dit que la pression atmosphérique est égale au poids de l'air à la surface de la Terre. La pression est une force qui agit sur une unité de surface (1 mètre par 1 mètre). La pression atmosphérique est donc la force exercée par l'atmosphère sur une unité de surface de la Terre. À un endroit précis, la force de pression est égale à la force exercée par une colonne d'air, de surface unitaire, partant du sol et allant jusqu'au sommet de l'atmosphère. Mais quelle est la valeur de cette pression exercée sur nous? L'air exerce une pression sur la surface de la Terre. Au niveau de la mer, le corps humain supporte une pression qui correspond à 1 kilogramme par centimètre carré. Cela veut dire que l'être humain moyen supporte environ une tonne d'air. On ne sent pas cette pression parce que notre pression interne pousse vers l'extérieur pour équilibrer cette pression de l'air. Plus de détails Regardons cela de plus près : la pression est la force appliquée sur une surface par les molécules qui la frappent. Elle est associée à la vitesse des molécules qui frappent une surface et au nombre de molécules. Cela veut dire que, plus il y a de molécules qui frappent une surface et plus leur vitesse est grande, plus la force exercée sur la surface est grande aussi. B. La pression exercée sur la surface A est plus faible que la pression exercée sur la surface Pour mieux vous convaincre que l'atmosphère exerce une pression sur nous, et sur la surface de la Terre, faites l'expérience suivante : Expérience simple démontrant l'existence de la pression atmosphérique : Prenez un carton de 8 1/2 par 11 pouces, mettez-le à plat sur une table et ramenez les côtés vers le centre comme pour faire un pont. Dans la figure de droite, on voit qu'il y a équilibre des forces de pression. En soufflant sous le pont, vous créez un vide partiel (dépression) et le pont s'écrase sous la pression de l'air. Ici, l'équilibre des forces est rompu. La pression atmosphérique au-dessus du pont n'a pas changé, ce n'est que la différence de pression qui a provoqué l'écrasement du pont. 4
Mesure de la Pression Atmosphérique Mesure de la pression atmosphérique L'unité de mesure de la pression L'unité de mesure de la pression est le pascal, et cela en hommage à Pascal, grand savant du XVIIe siècle. 1 pascal = 1 N/m2 où N, le Newton, est l'unité de mesure de la force. On voit que le pascal représente bien une force par unité de surface,c'est-à-dire, une pression. Au XVIIe siècle, Galilée, Torricelli et Pascal mettent en évidence la pesanteur de l air. Et en 1647 naît le premier instrument de mesure de la pression atmosphérique. L Académie des sciences le baptise le baromètre. Le pascal est une petite unité. En météorologie, on utilise plutôt un multiple du pascal, l'hectopascal (hpa), pour les mesures de la pression atmosphérique. 1 hpa = 100 pascals. Anciennement, on utilisait le millibar comme unité de mesure pour la pression. 1 millibar (mb) = 1 hectopascal (hpa) La pression atmosphérique moyenne au niveau de la mer est d'environ 1013 hpa (1013 mb) ou encore 101,3 kpa. Les instruments de mesure de la pression atmosphérique Les deux instruments de mesure de la pression atmosphérique sont : BAROMÈTRE À MERCURE À quoi sert-il? Cet instrument permet de déterminer la pression atmosphérique. Comment est-il fait? Le baromètre est composé d'un tube de verre contenant du mercure et dont l'extrémité ouverte (en bas) repose dans un bassin rempli de mercure. Une échelle graduée permettant de lire la pression se trouve sur le tube de verre. Comment fonctionne-t-il? Le principe physique du fonctionnement du baromètre est l'équilibre des forces. La colonne de mercure contenue dans le tube cherche à descendre sous l'effet de son poids. Cependant, l'air environnant pousse sur le mercure dans le bassin. La colonne de mercure cesse de bouger lorsque ces deux forces de poussée sont égales. Lorsque la pression de l'air environnant augmente, elle pousse sur le mercure dans le bassin et fait remonter une certaine quantité de mercure dans le tube de verre. De façon contraire, une baisse du mercure dans le tube sera causée par une diminution de la pression atmosphérique. En observant la hauteur de la colonne de mercure dans le tube, nous disposons donc d'une mesure de la pression de l'air. Unités de mesure Hectopascals (hpa) ou millimètres de mercure (mm Hg). 760 mm Hg = 1013 mb = 1013 hpa Informations supplémentaires C'est en 1644 que l'italien Torricelli a l'idée de remplir un tube de verre de mercure, de le boucher avec un doigt et de le retourner dans un bassin rempli de mercure. Et alors? Et alors, Torricelli observe que le mercure ne s'écoule pas dans le bassin, et qu'il en reste toujours environ 76 cm dans le tube, et ce, quelle que soit la hauteur du tube. Il en déduit alors que c'est l'air qui fait pression sur le bassin et empêche le tube de se vider. C'est-à-dire que la pression de l'air contrebalance le poids du mercure. Voilà comment Torricelli inventa le baromètre à mercure. Torricelli était l'élève de Galilée. On peut ajouter à ce baromètre un système mécanique ou électronique d'enregistrement automatique des données : le barographe. Les pressions les plus fortes sont enregistrées par temps froid. Le record appartient à la Sibérie où on a noté une pression de 1083,8 hpa le 31 décembre 1968. BAROMÈTRE ANÉROÏDE À quoi sert-il? Cet instrument permet de déterminer la pression atmosphérique. Comment est-il fait? Cet instrument est composé d'une capsule métallique sous vide et d'une aiguille pour indiquer la pression. Comment fonctionne-t-il? Le principe de fonctionnement de ce baromètre est simple : une boîte métallique, dans laquelle on a fait un vide partiel (abscence d'air), s'écrase ou se détend selon les changements de pression atmosphérique. Les mouvements de la boîte sont amplifiés par un système de leviers relié à une aiguille qui tourne autour d'un point central. C'est ce genre de baromètre que l'on utilise dans nos maisons. Unités de mesure La mesure se fait en hectopascals (hpa) ou en millibars (mb). L'échelle de graduation peut également afficher la pression en millimètres de mercure (mmhg). Informations supplémentaires Le baromètre anéroïde fut inventé vers 1843 par Lucien Vidie.. La deuxième aiguille du baromètre anéroïde (que l'on déplace soi-même à l'aide d'un bouton) sert à conserver en mémoire la valeur de la pression. En effet, ce sont les variations de pression (augmentation ou diminution) qui nous renseignent sur les conditions météorologiques futures (aujourd'hui ou demain) et non pas la valeur de la pression elle-même. En général, une diminution brusque de la pression annonce du mauvais temps (arrivée d'une dépression) et une hausse de pression signifie l'arrivée du beau temps (d'un anticyclone). Une forme appropriée de ce baromètre est fréquemment utilisée comme altimètre dans les avions; cet instrument mesure l'altitude, car la pression atmosphérique dépend de l'altitude. On peut ajouter à ce baromètre un système mécanique ou électronique d'enregistrement automatique des données : le barographe. 5
Pression Atmosphérique & Altitude Variation de la horizontale de la pression atmosphérique Pression Atmosphérique et Altitude Selon vous, à quel endroit, sur la figure, la pression atmosphérique sera-t-elle la plus forte? Sur Marie, au sommet de la montagne ou sur François au pied de la montagne? Réponse: La pression atmosphérique est le poids de l'air qui se trouve au-dessus d'une surface. Marie est à une altitude plus élevée que François. Il y a donc moins d'air au-dessus de Marie, sur la montagne, qu'au-dessus de François. Au pied de la montagne, on ressent le poids de l'air qui se trouve au-dessus de la montagne plus le poids de l'air qui se trouve entre le sommet et le pied de la montagne. Pensez à la piscine... Au fond de la piscine, la pression de l'eau qui s'exerce sur vous est plus grande. La pression atmosphérique est donc plus forte sur François, au pied de la montagne La pression atmosphérique diminue avec l'altitude. Plus on s'élève dans l'atmosphère, moins il y a d'air au-dessus et donc moins le poids est grand. Il y a moins d'air au-dessus du niveau de 12 km qu'au-dessus du niveau de 5 km. La pression est donc plus grande au niveau de 5 km qu'à 12 km. Sur la figure, quatre niveaux de pression ont été identifiés. Un niveau de pression est une surface sur laquelle la pression est la même partout. Par exemple, au niveau de pression 500 hpa, la pression sera de 500 hpa partout dans l'atmosphère. D'après la figure, on peut voir qu'à 5 km d'altitude, la pression est deux fois moins élevée qu'à la surface. C'est pourquoi les alpinistes emportent des bombonnes d'oxygène lorsqu'ils doivent gravir des montagnes aux sommets très élevés. Variation horizontale de la pression atmosphérique Vous savez maintenant que la pression atmosphérique est le poids de l air qui se trouve au-dessus de nous. Cette pression varie à la surface de la Terre, elle n est pas la même partout. À certains endroits, la colonne d'atmosphère contient plus d'air et à d'autres endroits elle en contient moins. S'il y a moins d'air dans la colonne, la pression au sol est plus faible. S'il y a plus d'air dans la colonne, la pression au sol est plus forte. 6
Les Isobares Les Isobares et les cartes de pression atmosphérique Sur une carte météorologique, la pression est représentée par les isobares. Les isobares sont des lignes qui relient les points de même pression atmosphérique à un instant donné. Ces lignes sont dessinées à partir des données d'observations météorologiques fournies par les stations de mesure. La valeur des isobares est exprimée en hectopascals (hpa) (1 hectopascal = 1 millibar). Plus les isobares sont distancées, plus le vent est faible. Quand elles sont rapprochées, le vent est fort. Les deux lignes tracées sur la figure de droite représentent des isobares. Pour n'importe quel point situé le long de l'isobare du haut, la valeur de la pression est de 996 hpa (ou mb). Pour chaque point situé sur l'isobare du bas, la valeur de la pression est de 1000 hpa (ou mb). N'importe quel point situé entre les deux isobares a une valeur comprise entre 1000 hpa et 996 hpa. Au-dessus de l'isobare de 996 hpa, les valeurs de pression sont plus faibles, et au-dessous de l'isobare de 1000 hpa, les valeurs sont plus grandes. Les isobares sont tracées à tous les 4 hpa. Avec une carte d'isobares, comme celle qui se trouve ci-dontre il est facile de visualiser les zones de basse pression et les zones de haute pression. De plus, la géographie de la région étudiée apparaît toujours sous les isobares. Les étiquettes qu'on voit sur les isobares indiquent la valeur de la pression, en hpa, de chacune des isobares. Sur une carte d'isobares (carte de pression), le centre de basse pression (pression faible) est identifié par la lettre B et le centre de haute pression (pression élevée) est identifié par la lettre H. Sur la carte à gauche, la pression au centre de la basse pression est de 991 hpa et la pression au centre de la haute pression est de 1037 hpa. On peut comparer une carte de pression à une carte topographique sur laquelle chacune des lignes de niveau indique la hauteur du sol par rapport au niveau de la mer. Dans le cas de la carte de pression de surface, les isobares remplacent les lignes de niveau et indiquent, pour chaque point du sol, la valeur de la pression à cet endroit. 7
Dépression et Anticyclone Dépressions et anticyclones Vous avez sans doute déjà entendu parler des dépressions et des anticyclones. Une dépression est une région où la pression est plus faible que dans les zones avoisinantes et autour de laquelle le vent circule dans le sens antihoraire (sens inverse des aiguilles d'une montre) dans l'hémisphère Nord et dans le sens horaire (sens des aiguille d'une montre) dans l'hémisphère Sud. Un anticyclone, ou zone de haute pression, est une région où la pression est plus forte que dans les zones avoisinantes. Le vent y circule en tournant dans le sens horaire (sens des aiguilles d'une montre) dans l'hémisphère Nord et dans le sens antihoraire (sens inverse des aiguilles d'une montre) dans l'hémisphère Sud. Les dépressions et anticyclones se succèdent sur la Terre et sont à la base des mouvements de l'atmosphère. Dépression = zone de basse pression Anticyclone = zone de haute pression Un centre de haute pression est l'endroit de l'anticyclone où la pression mesurée est la plus élevée (forte) comparativement à son environnement. Quand on s'éloigne d'un centre de haute pression, la pression diminue dans toutes les directions. Le centre de haute pression correspond au centre de l'anticyclone et est indiqué par la lettre H (habituellement en bleu) sur les cartes météorologiques. Autour d'un centre de haute pression, le vent circule dans le sens des aiguilles d'une montre dans l'hémisphère Nord et dans le sens inverse dans l'hémisphère Sud. 8
Le Vent Origine du Vent Le vent est un déplacement horizontal d'air produit par la force du gradient de pression. Lorsqu'il existe une différence de pression entre deux points, l'air circule de l'endroit où la pression est la plus élevée vers l'endroit où elle est la moins élevée. Dans le langage des météorologues, on dit que l'air se déplace de la haute pression vers la basse pression. Dans l'atmosphère, la force de pression atmosphérique pousse l'air de l'endroit où la pression au sol est la plus forte vers l'endroit où elle est la plus faible. Sur la figure de droite, il existe une différence de pression entre les isobares A et B. La pression étant plus forte du côté de l'isobare B (1000 hpa) que du côté de l'isobare A (996 hpa), il se développe une force nette qui pousse l'air de B vers A. On appelle cette force la «force du gradient de pression». Un observateur situé au point X (au milieu) sentira un vent qui va de la haute pression vers la basse pression, c'est-à-dire de B vers A. Pour mieux comprendre, imaginez-vous dans un autobus où il y a plein de gens à l'avant et personne à l'arrière. Si on compare les gens aux molécules d'air, on dira que la pression à l'avant est plus forte qu'à l'arrière. Naturellement, vous sentirez la pression des gens de devant qui poussent pour aller à l'arrière. Il se produit donc un déplacement de l'air à partir des zones de haute pression (H) vers les zones de basse pression (B). Tous les vents sont le résultat d'une différence de pression. Mais les causes des variations de pression peuvent être diverses. force de pression Le vent circule du système de haute pression vers le système de basse pression, c'est-à-dire de l'anticyclone vers la dépression. Les variations de pression proviennent du réchauffement inégal de la surface terrestre. L'air qui se réchauffe prend de l'expansion alors que l'air qui se refroidit se contracte. Comme l'air se contracte sur les côtés, le niveau de pression 500 hpa (et tous les autres) descend par rapport au centre où le niveau 500 hpa s'élève car l'air prend de l'expansion à cet endroit. 9
Les Vents Locaux Brises de Mer et de Terre Certains types de vents peuvent être produits par des caractéristiques géographiques locales. Ces types de vents agissent sur de petites étendues et sont le résultat de la géographie particulière à une région; on les nomme alors vents locaux. Les brises de terre et de mer sont des vents locaux qui se produisent sur les zones côtières. Elles sont engendrées par la différence de température entre la surface de la terre et la surface de la mer. Le sol, du sable par exemple, a une capacité calorifique beaucoup plus faible que la mer. En plus, la surface de l'eau n'est pas immobile, il y a un transport d'eau chaude vers les profondeurs, par brassage. C'est-à-dire que le sol se réchauffe beaucoup plus vite que la mer, car cette dernière peut absorber beaucoup d'énergie solaire avant de se réchauffer. La brise de mer Pendant une journée ensoleillée, le sable se réchauffe plus que la mer. Le sable chauffe donc l'air qui se trouve au-dessus et l'air chaud prend de l'expansion à la verticale. Les niveaux de pression au-dessus du sable vont donc s'élever (voir les effets de la température sur les niveaux de pression) pendant qu'au-dessus de la mer ils vont garder leur altitude. Une force due à la différence de pression apparaîtra en altitude. Sur le schéma ci-contre, on observe qu'en altitude cette force poussera l'air de la pression plus élevée, soit 350 hpa, vers la pression plus faible, soit 150 hpa. En altitude, il y a donc un déplacement d'air de la zone au-dessus de la plage vers la zone au-dessus de la mer. Cela aura pour conséquence une "accumulation" d'air au-dessus de la mer et une "perte" d'air au-dessus de la plage (donc une diminution de la pression au sol). De la même façon, au niveau de la surface, la différence de pression produira une force poussant l'air de la mer vers la plage. L'air "perdu" près de la surface de la mer est remplacé par l'air "accumulé" en altitude, au-dessus de la mer. Il se crée alors un mouvement d'air descendant au-dessus de la mer. Au niveau de la plage, l'air près du sol monte remplacer l'air "perdu" en altitude. Il se crée alors un mouvement d'air ascendant au-dessus de la plage. Finalement, cela produit la brise de mer, un vent qui se dirige de la mer vers la terre en proximité du sol et de la terre vers la mer en altitude. La brise de terre Le soir venu, le sable se refroidit très rapidement. Par contre, la mer qui a accumulé beaucoup d'énergie perd lentement de la chaleur durant la nuit. La surface de la mer devient donc légèrement plus chaude que la plage. Les niveaux de pression au-dessus de la plage descendent, car l'air se contracte en se refroidissant. Suivant le même mécanisme, une circulation inverse à celle de la brise de mer, mais plus faible, s'installe : c'est la brise de terre.. 10
La Mesure de la Vitesse du Vent Mesure de la vitesse du vent On décrit un vent par sa vitesse et sa direction. Unités de mesure de la vitesse du vent La vitesse du vent peut être exprimée par différentes unités: Mètre par seconde (m/s) Kilomètre par heure (km/h) Noeud (Kt) Parce que le noeud a été longtemps utilisé en marine et puis en aviation, il est utilisé aussi en météorologie. Il vaut un mille marin (1 852 m) par heure, soit 0,514 m/s. Instrument de mesure de la vitesse du vent L'instrument qui sert à mesurer la vitesse du vent est nommé «anémomètre» La plupart des anénomètres modernes comprennent un système électronique interne qui calcule le nombre de tours que font les coupelles pendant un temps précis. La vitesse du vent, convertie par l'ordinateur interne, apparaît alors sur l'écran. Plus le vent est fort, plus les coupelles tournent rapidement. On peut calculer la vitesse du vent de façon mécanique, c'est-à-dire sans avoir recours à un circuit électronique. Il existe des modalités d'évaluer la vitesse du vent sans la mesurer vraiment. On utilise pour cela des échelles. Une des échelles les plus souvent utilisées est celle de Beaufort, qui permet d estimer la vitesse du vent selon ses effets sur l environnement. 11
La Mesure de la Direction du Vent Mesure de la direction du vent La direction du vent est toujours donnée par la direction d'origine. On parlera par exemple d'un vent du nord lorsque le vent souffle du nord vers le sud. Déterminer la direction du vent L'instrument qui sert à déterminer la direction du vent est nommé «girouette» C'est un pointeur (généralement une flèche) qui tourne selon la direction du vent. Il est important de noter que la pointe de la flèche montre la direction d'où provient le vent. Souvent, les quatre points cardinaux sont indiqués par les lettres N, S, E et O et nous servent de repère. Lorsque le vent change de direction, il pousse sur la grosse partie de la flèche (l'arrière) jusqu'à ce qu'elle soit alignée avec le vent (parallèle au vent). Cela a pour conséquence de faire pointer la flèche dans la direction d'où provient le vent. On se réfère alors aux quatre principaux points cardinaux pour juger de la direction d'où vient le vent. On place habituellement la girouette à 10 m du sol. La girouette a souvent la forme d'une silhouette découpée (coq, lion, etc.). Autrefois, cette forme représentait fréquemment le métier des habitants de la maison. Sur les clochers des églises on trouve souvent la silhouette d'un coq, car le coq symbolise depuis toujours la vigilance de l'église envers le peuple. C'est au Moyen Âge (environ de l'an 500 à 1500) que l'usage de la girouette se répandit en Europe, mais il en existait depuis au moins 4000 ans : c'est l'un des instruments météorologiques les plus anciens! Lire la vitesse et la direction du vent sur une carte Sur une carte météorologique, les météorologues utilisent un symbole pour représenter à la fois la vitesse et la direction du vent. Ce symbole est la barbule. La tête de la barbule pointe dans la direction d'où vient le vent. Sur l'image, le vent souffle donc de l'ouest vers l'est. C'est un vent d'ouest. La vitesse du vent est donnée par le nombre de barres et / ou de drapeaux attachés à la barbule : 1 drapeau = 50 noeuds 1 longue barre = 10 noeuds 1 petite barre = 5 noeuds Pour trouver la vitesse du vent, il suffit donc d'additionner la valeur de toutes les barres et des drapeaux attachés à la barbule. 12
Le Vent: Développement d une Dépression Convergence et divergence des vents développement d une dépression au sol Dans plusieurs cas, une basse pression est formée au sol lorsqu'un volume limité d'air est réchauffé en altitude (ex.: par l'apport d'air chaud provenant du sud). Ce volume d'air réchauffé prendra de l'expansion, car l'air chaud est moins dense que l'air froid. Il occupera donc une plus grande épaisseur. Cela aura pour conséquence de déformer les isobares comme l'illustre la figure ci-dessous. Une série d'évènements se produira à la suite de cette déformation : L'isobare de 500 hpa est déplacée vers le haut au-dessus de la zone réchauffée. Il se développera alors des forces dues à la différence de pression, qui pousseront l'air de la haute pression vers la basse pression en altitude. Observez bien les deux flèches qui pointent vers l'extérieur en altitude. Ces flèches représentent la force due à la différence de pression. Ces forces produiront des vents de la colonne d'air vers l'extérieur. On appelle ce phénomène «la divergence» des vents, car les vents "s'éloignent" l'un de l'autre. La divergence du vent en altitude a pour effet de retirer de l'air de la colonne d'air. S'il y a moins d'air dans la colonne, cela veut dire que le poids de l'air au-dessus du sol sera moins élevé et donc que la pression atmosphérique au niveau du sol va diminuer. Les isobares seront déplacées vers le bas près du sol. Sur la figure, remarquez que les isobares de 800 hpa et de 1000 hpa sont déplacées vers le bas sous la zone de réchauffement. De plus, sous la zone de réchauffement, la pression au sol est d'environ 800 hpa, tandis que, de chaque côté, elle est de 1000 hpa. Il se développera alors des forces dues à la différence de pression qui pousseront l'air vers le milieu. On nomme ce phénomène la «convergence des vents» parce que les vents convergent vers un même point. Puisque l'air ne peut pas entrer dans le sol, il doit obligatoirement monter vers les couches supérieures de l'atmosphère. En résumé Les zones de convergence en altitude produisent des zones de hautes pressions au sol (H). Inversement, les zones de divergence en altitude produisent des zones de basses pressions en surface (B). La divergence qui se produit en altitude a pour effet de retirer de l'air dans la colonne. Puisqu'il y a moins d'air dans la colonne, la pression au sol commence à baisser. Un creux se développe alors au sol et engendre ainsi un mouvement de convergence à la surface sous la zone de divergence en altitude. Les vents qui convergent à la surface n'ont alors d'autre choix que de monter. Les vents horizontaux se mettent alors à être déviés vers la droite à la suite de l'action de la force de Coriolis, formant ainsi une dépression. Dans une dépression, les vents tournent dans le sens cyclonique, c'est-à-dire dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. On appelle ce mouvement de rotation des vents dans le sens cyclonique un «cyclone».lorsque nous avons une dépression à la surface, il y a convergence des vents vers le centre de la dépression. Cela produit un mouvement d'air vers le haut puisque l'air ne peut entrer dans le sol. L'air en montant se refroidit et éventuellement la vapeur d'eau qu'il contient va se condenser et donner lieu à la formation de nuages, de précipitations et peut-être d'orages. C'est pourquoi le mauvais temps est toujours associé aux dépressions. 13
La Formation des Nuages La formation des nuages Les nuages sont l'expression la plus importante des phénomènes qui se produisent dans la troposphère. Puisqu'ils sont visibles, les nuages nous donnent rapidement une bonne idée du temps qu'il fait; nuage d'orage ou inoffensif cumulus? La sursaturation est le principe à la base de la formation des nuages. Mais comment les nuages se forment-ils? Vous savez déjà qu'il y a de l'eau à l'état gazeux dans l'atmosphère : la vapeur d'eau. La vapeur d'eau dans l'air est invisible, mais elle peut devenir visible lorsqu'elle retourne à l'état liquide (eau) ou solide (glace). L'air peut contenir un maximum de vapeur d'eau, maximum qui dépend de sa température. Lorsque ce maximum est dépassé, on dit que l'air est sursaturé et le surplus de vapeur se condense sur les noyaux de condensation ou sur toute autre surface. vapeur d'eau qui ne change pas durant son ascension. Les nuages se forment lorsque de l'air qui contient de la vapeur d'eau est soulevé en altitude. La parcelle d'air qui part du sol contient une certaine quantité de En se soulevant, l'air prend de l'expansion (car la pression atmosphérique diminue en montant), sa température diminue et son humidité relative augmente. À une certaine altitude, l'humidité relative est suffisamment élevée pour que la parcelle d'air devienne sursaturée et une partie de la vapeur d'eau se condense sur les noyaux de condensation (ou congélation). À partir de ce moment, des gouttelettes ou des cristaux commencent à se former. Et voilà comment naît et apparaît un nuage. Les noyaux de condensation et de congélation L'air clair (absence de nuages) contient toujours des particules microscopiques invisibles à l'oeil nu. On les appelle «noyaux de condensation ou de congélation». Ce sont de fines particules sur lesquelles s'opère la condensation et éventuellement la condensation solide de la vapeur d'eau. Les noyaux de condensation sont constitués de particules provenant des éruptions volcaniques, de poussières arrachées au sol, de poussières de combustion, de pollens, etc. Les molécules de vapeur d'eau contenues dans l'air vont se condenser en eau liquide au contact des noyaux de condensation ou encore se solidifier au contact des noyaux de congélation si la température est inférieure à 0 C. L'eau liquide condensée sur les particules microscopiques va par la suite s'évaporer et retourner dans l'air sous forme de vapeur d'eau. Tant que le nombre de molécules de vapeur d'eau qui se condensent est égale au nombre de molécules qui s'évaporent d'une particule, il ne peut y avoir formation de gouttelette d'eau. Cependant, lorsque la température de l'air est suffisament basse, le nombre de molécules qui se condensent devient plus grand que le nombre de molécules qui s'évaporent. À partir de ce moment, on dit que l'air est sursaturé de vapeur d'eau et il y a formation d'une gouttelette d'eau. Les nuages sont formés de plusieurs millions de ces gouttelettes. Les surfaces planes, telle une vitre de voiture, servent également de noyaux de condensation et de congélation. 14
Effet d un Ciel Nuageux Ciel nuageux: le jour Durant le jour, la surface de la Terre est réchauffée par le Soleil. Si le ciel est clair, presque tous les rayons du Soleil atteignent le sol. Le sol se réchauffe et réchauffe à son tour l'air qui est au-dessus. C'est de cette façon que se réchauffe l'air autour de vous. Par contre, si le ciel est nuageux, une partie des rayons du Soleil est réfléchie par les nuages (par les gouttelettes d'eau et cristaux de glace) vers l'espace. Il y aura donc moins de rayons solaires qui se rendront au sol pour le réchauffer. En d'autres mots, le sol va moins se réchauffer s'il y a des nuages que s'il n'y en a pas. La température de l'air environnant sera plus faible (il fera moins chaud). Si on annonce un ciel nuageux pour le jour, cela veut dire que la température de l'air sera plus élevée que la température qu'on aurait si le ciel était clair. plus faible que la température qu'on aurait si le ciel était clair. Ciel nuageux: la nuit Durant la nuit, un ciel nuageux provoque l'effet inverse sur la température de l'air. Si le ciel est clair, les rayons émis par la surface de la Terre s'échappent vers l'espace et le sol se refroidit rapidement. Si le ciel est nuageux, une partie des rayons émis par la surface de la Terre est absorbée par les nuages. Les nuages vont émettre à leur tour de l'énergie vers l'espace et vers la Terre sous forme de rayonnement. Le sol absorbe les rayons émis par les nuages et se réchauffe un peu. Par la suite, le sol réchauffe l'air qui est au-dessus. Donc, si la nuit est nuageuse, la température de l'air se refroidit moins rapidement que si la nuit était claire. Cela veut dire qu'il fera plus chaud cette nuit-là. 15
Les Nuages, étage supérieur et moyen Nuages de l étage supérieur : les CIRRUS Hauteur moyenne de la base au-dessus du sol : 6 000-13 000 mètres. Composition : cristaux de glace. Typiquement : minces et blancs. Traînées filamenteuses de délicats nuages blancs formés de cristaux de glace et qui ressortent sur le bleu du ciel. Ils peuvent avoir de nombreuses formes : celles de flocons isolés, de panaches en forme de plumes ou de traînées de cristaux de glace en chute dans la direction des vents. Cette dernière forme est souvent appelée «cirrus en queue de cheval». Le cirrus est un nuage générateur de précipitations, mais celles-ci s'évaporent avant d'atteindre le sol. Nuages de l étage supérieur : les CIRROSTRATUS Mince voile blanchâtre d'aspect fibreux ou lisse couvrant entièrement ou partiellement le ciel et à travers lequel on peut distinctement apercevoir les contours de la lune ou du soleil sauf lorsqu'ils sont bas à l'horizon. Ces nuages favorisent la formation de halos. Nuages de l étage moyen: Altostratus et Altocumulus Hauteur moyenne de la base au-dessus du sol : 2000-6000 mètres. Composition : cristaux de glace ou gouttelettes d'eau. Ces dernières sont surfondues, c'est-àdire qu'elles peuvent être à l'état liquide même à des températures inférieures au point de congélation. Altostratus Couche de nuages sombres (gris ou bleutés) qui couvrent généralement tout le ciel. On peut difficilement distinguer la lune ou le soleil à travers eux. Des altostratus minces donnent souvent au ciel un aspect de verre dépoli. Les altostratus se développent sous l'effet d'un mouvement d'ascendance au-dessus d'un front chaud. Altocumulus: Nappe de nuages blancs ou gris de forme arrondie ou aplatie. Les altocumulus sont arrangés en groupes, en lignes ou en vagues et se déplacent dans une ou deux directions. Parfois ils sont tellement rapprochés que leurs extrémités se touchent. 16
Les Nuages, étage inférieur et à extension verticale Nuages de l étage inférieur: les Stratus Voile nuageux ressemblant au brouillard mais ne touchant pas le sol. La surface inférieure de ce type de nuage ne présente aucun détail repérable. Lorsqu'il se désintègre sous l'action du vent au-dessus de terrains accidentés, il est appelé «stratus fractus». De la bruine tombe souvent du stratus. La surface supérieure peut avoir un aspect presque plat et ondulé. Le brouillard est un stratus près du sol ou touchant le sol Nuages de l étage inférieur: les Stratocumulus Nappe formée de masses arrondies qui peuvent présenter des ombres fortes. La base des stratocumulus est bien nette et assez plate, tandis qu'en surface ces nuages ont un aspect échevelé. La nappe nuageuse, souvent mince (épaisseur maximale de 0,3 km), laisse entrevoir le ciel bleu. Suivant la luminosité et l'épaisseur de la couche nuageuse, le stratocumulus peut varier du blanc au gris foncé. Nuages de l étage inférieur : les Nimbostratus Une nappe basse de couleur gris foncé aux bordures échevelées, habituellement presque uniforme et peu éclairée. En latin, nimbus signifie pluie ou averse. Lorsque ce nuage donne des précipitations, celles-ci tombent sous forme de pluie ou de neige continue. L'épaisseur du nimbostratus peut atteindre plus de 4 500 mètres. Nuages à extension verticale: Cumulus et Cumulonimbus Les Cumulus: Hauteur moyenne de la base au-dessus du sol : 450 mètres et plus. Composition : en dessous du niveau de congélation, gouttelettes d'eau ; au-dessus du niveau de congélation, cristaux de glace ou même gouttelettes d'eau à des températures inférieures au point de congélation. Nuages denses à extension verticale - la base est aplatie et se forme à des hauteurs uniformes; le sommet est arrondi et a la forme d'un chou-fleur. Le nuage paraît blanc et luit sous le soleil, par contre il peut paraître foncé vu d'en dessous. Les cumulus ont tendance à se former durant le jour et à se dissiper la nuit au-dessus de la terre, mais cette variation ne se voit pas au-dessus de la mer. Les Cumulonimbus: Nuage dense et puissant à vaste base aplatie et à extension verticale considérable, en forme de montagne ou d'énorme tour. Une partie de sa région supérieure est généralement lisse, fibreuse ou striée et presque toujours aplatie; cette partie s'étale souvent en forme d'enclume ou de vaste panache. Ce type de nuage annonce un orage ou une averse. Il contient fréquemment de la grêle qui peut, à l'occasion, tomber au sol. De violents courants verticaux à l'intérieur du nuage font que ses contours changent constamment. 17
La précipitation : terminologie Les termes employés Le mot précipitation désigne tout ce qui provient de l'atmosphère sous forme d'eau liquide ou solide. On utilise le mot hydrométéore pour parler de toutes les particules d'eau (gouttelettes, gouttes, neige, grêle, etc.) qu'on trouve dans l'atmosphère. On désigne souvent l'hydrométéore par le nom du phénomène de précipitation. Par exemple, on dit : «Il tombe de la grêle.» alors qu'on devrait dire : «Il tombe des grêlons lorsqu'il grêle.» Voici un petit tableau pour vous retrouver dans ce langage. Nom du phénomène Brouillard Description du phénomène et nom de son hydrométéore Le brouillard est constitué de fines gouttelettes d'eau en suspension formant un nuage près du sol. Il abaisse la visibilité au-dessous de 1 km. Les hydrométéores qui se forment dans les nuages sont à des températures très froides, souvent au-dessous 0 C. C'est pour cette raison que presque toutes les précipitations qui arrivent au sol (liquide ou solide) proviennent de la formation de cristaux de glace ou d'eau congelée. Ces précipitations solides tombent et fondent en cours de route si la température de l'air atteint plus de 0 C et arrivent sous forme liquide au sol (sinon elles restent sous forme solide). Étapes du développement de la précipitation solide ou liquide: condensation (congélation) et sursaturation de l'air; développement des hydrométéores (solides ou liquides); chute des hydrométéores (solides ou liquides). La condensation et la sursaturation Vous savez maintenant que les gouttelettes de nuage se forment par condensation dès que le seuil de saturation de l'air en vapeur d'eau est légèrement dépassé (sursaturation); cela résulte du grand nombre de noyaux de condensation présents dans l'atmosphère. Le diamètre habituel d'une gouttelette de nuage est de 0,02 millimètre, alors que celui d'une gouttelette de pluie peut atteindre 5 millimètres; c'est dire que la gouttelette de pluie est environ 100 fois plus grosse que la gouttelette de nuage. Mais comment les petites gouttelettes de nuage deviennent-elles des gouttes de pluie. On pourrait croire que les gouttelettes de nuage vont tout simplement grossir et devenir des gouttelettes de pluie. Nous verrons que ce n'est pas exactement le cas. Le développement des hydrométéores Au début, les gouttelettes d'eau dans le nuage sont nombreuses et elles ont à peu près la même taille. Leur croissance se fait par condensation de vapeur sur leur surface. Mais le nombre de gouttelettes est très élevé (1 million de gouttelettes par litre) et la compétition pour le partage de la vapeur d'eau disponible est féroce. Seule, la condensation de vapeur d'eau sur les gouttelettes n'est pas suffisante pour former des gouttelettes de précipitation. Cela veut dire qu'il y a d'autres processus qui vont permettre aux gouttelettes de grossir jusqu'à devenir des gouttelettes de précipitation. Comment les gouttelettes de nuage se transforment-elles en gouttes de pluie? On connaît maintenant deux processus permettant de produire les précipitations. Il s'agit des processus de Bergeron et de coalescence. Verbe associé au phénomène Brouillasser Bruine La bruine est une précipitation de fines gouttes d'eau froides qui tombent très lentement. (aucun) Brume Givre La brume est constituée de microscopiques gouttelettes d'eau en suspension près du sol (c'est un brouillard léger). Elle n'abaisse pas la visibilité au-dessous de 1 km (comme le fait le brouillard). Le givre est un dépôt de glace blanche sur les objets plus froids que 0 C. Cette glace est formée à partir de la congélation de la vapeur d'eau, du brouillard ou de la brume. Brumer Givrer Grêle La grêle est une précipitation de masses de glace que l'on nomme grêlons. Grêler Grésil Le grésil est une précipitation de petits globules de cristaux de neige ou de glace. Grésiller Neige La neige est une précipitation de cristaux de glace en forme de flocons. Neiger Pluie La pluie est une précipitation de gouttes d'eau. Pleuvoir Rosée La rosée est l'apparition de petites gouttes d'eau sur les objets refroidis à l'extérieur. (aucun) Le verglas est une couche de glace qui se forme lorsque des gouttes de pluie gèlent Verglas brusquement au contact du sol. Formation de la précipitation: (aucun) 18
La précipitation: processus de Bergeron Processus de Bergeron Il faut d'abord savoir que les gouttelettes d'eau ne se solidifient pas à 0 C comme on pourrait le croire. L'eau pure ne se solidifie qu'à des températures inférieures à -40 C. On dit alors que le nuage est en surfusion. Cependant, l'eau surfondue gèle facilement en présence de noyaux de congélation. Donc, lorsque la température d'un nuage est au-dessous de 0 C, on y retrouve des gouttelettes d'eau et des cristaux de glace. Il se produit alors un phénomène très intéressant : des molécules d'eau quittent les gouttelettes d'eau pour aller sur les cristaux de glace. Ceuxci grossissent rapidement, aux dépens des gouttelettes, jusqu'à ce qu'ils soient assez lourds pour tomber. Durant leur chute, ils grossiront encore plus par le processus de coalescence. S'ils passent à travers une couche d'air dont la température est au-dessus de 0 C, ils pourront fondre et arriveront au sol sous forme de pluie, ou de neige mouillée. Le processus de Bergeron: Les molécules de vapeur d'eau s'évaporent de la gouttelette d'eau pour aller se solidifier sur le cristal de glace. Après un certain temps, la gouttelette d'eau disparaît et le cristal est devenu plus gros. Processus de coalescence Si la turbulence (le brassage) dans un nuage est suffisante, les gouttelettes au sein du nuage entreront en collision et se fondront les unes dans les autres pour former de plus grosses gouttelettes. Lorsque celles-ci sont assez lourdes, elles tombent et entrent encore en collision avec d'autres gouttelettes plus petites qui tombent moins vite. Finalement, elles atteindront le sol sous forme de pluie. Ces gouttes tombent plus rapidement et grossissent par coalescence, c'est-à-dire par rencontre. Les vitesses de chute des très grosses gouttes peuvent atteindre 8 m/s. Les gouttes possèdent alors leur grosseur maximale. En tombant, elles se déforment et se brisent en gouttelettes plus petites qui grossissent à leur tour. Chute des hydrométéores La dernière étape du développement des hydrométéores est leur chute vers le sol. Ce n'est qu'au moment où ils ont un poids assez élevé, que les hydrométéores tombent au sol. En tombant, ils vont capturer d'autres gouttelettes et ainsi grossir. Mais ils vont aussi se déformer à cause de la friction de l'air. Comme les gouttes se déforment, elles peuvent aussi se briser pour former des gouttes plus petites. L'image ci-contre nous permet de constater qu'en regardant la Terre de l'espace, un phénomène constant se produit depuis très longtemps déjà et pour bien des années encore! Ce phénomène est la zone de convergence intertropicale où une bande de nuages est toujours présente en tout temps de l'année de part et d'autre de l'équateur. Il est donc naturel de penser que les précipitations sont beaucoup plus abondantes dans ces zones tropicales près de l'équateur qu'aux pôles par exemple. Image Space Science and Engineering Center, Wisconsin, États-Unis 21 juillet 2012. 19
La précipitation: Bruine & Grésil La Bruine La bruine est une précipitation liquide composée de très petites gouttelettes d'eau de diamètre compris entre 0,2 et 0,5 mm. La bruine tombe si lentement, qu'elle semble en suspension dans l'air. Les stratus bas sont les nuages qui donnent naissance à la bruine. Les mouvements verticaux d'air à l'intérieur des stratus sont trop faibles pour permettre l'accroissement des gouttelettes. C'est pourquoi les gouttelettes sont si petites. On retrouve la bruine presque toujours dans les régions côtières, car l'air y est très humide. Le Grésil Le grésil est un phénomène hivernal. Le grésil est une précipitation sous forme de petites sphères (boules) de glace translucide de 1 à 5 mm de diamètre. La couleur de la glace montre qu'elle a été formée par la solidification (congélation) lente d'une gouttelette de pluie. Ce type de précipitation se forme lorsqu'une couche d'air chaud surmonte une couche d'air froid près du sol. Les flocons de neige tombant dans la couche chaude fondent partiellement pour devenir des gouttes de pluie dont le centre est un flocon. Ces gouttes de pluie vont ensuite traverser la couche d'air froid près du sol. La partie de neige qui reste au centre des gouttes de pluie va agir comme noyau de congélation et les gouttes de pluie gèleront sous forme de petites boules glacées avant d'atteindre le sol. Le crépitement du grésil sur les vitres des fenêtres accompagne souvent la pluie verglaçante. En effet, la pluie verglaçante débute souvent par une précipitation de grésil. Le grésil se forme dans les cumulonimbus. Les flocons de neige sont des agglomérations de cristaux de glace. Ce sont des précipitations formées de cristaux de glace blancs ou transparents regroupés en formes La neige géométriques complexes de tailles variables. En effet, quand la température de l'air est sous le point de congélation, les cristaux de glace, en tombant, s'accrochent à d'autres cristaux et forment des flocons de neige. Dans sa chute vers le sol, un flocon de neige peut subir de multiples transformations. Il peut se briser sous l'effet des vents ou au contact d'autres flocons, s'évaporer, fondre, se joindre à d'autres. En fait, le flocon que nous voyons est rarement celui qu'il était au départ. Plus la distance entre sa naissance et son toucher au sol est grande, plus il y a des chances que le flocon devienne gros. Il faut des milliers de cristaux de glace pour avoir un seul flocon de neige. La température et l'humidité font varier la forme des flocons. En effet, les gros flocons peuvent atteindre la taille d'un 10 sous. Ils se forment quand la température est proche du point de congélation et quand le vent est faible. Les petits flocons se forment à des températures plus froide; l'air n'est pas assez humide pour qu'ils grossissent. La neige est une précipitation de cristaux de glace. À son état pur, la neige est blanche. Mais elle n'est jamais à l'état pur puisqu'elle est souillée d'un peu tout ce qu'elle rencontre sur son chemin : du pollen, des organismes minuscules, de la poussière, des cendres, des matières chimiques. Tous ces corps étrangers, transportés par les vents, peuvent donner différentes couleurs à la neige. Nuages qui annoncent la neige Les nuages élevés forment des cristaux en forme d'étoiles. Les nuages de moyenne altitude forment des cristaux de formes aplaties ou en aiguilles. Finalement, les nuages de l'étage inférieur peuvent amener des cristaux de plusieurs formes. Les cumulonimbus sont des nuages à extension verticale. Ils ont une texture fibreuse qui est due à la présence des cristaux de glace au sommet. Les stratus sont des nuages de l'étage inférieur. Ils masquent souvent les sommets des collines. Les nimbostratus sont des nuages de l'étage inférieur. Ce sont eux qui occupent tout le ciel ; en hiver, ils sont gonflés de neige. Les cirrus sont des nuages de haute altitude. Ils ont la forme de trainées fibreuses. Ce sont de délicats nuages blancs formés de cristaux de glace. Les cirrostratus et les altocumulus sont également des nuages annonceurs de neige. 20