29 notions-clefs : la physique du climat

Pression, température et humidité
Auteurs : Jean-louis Dufresnes(plus d'infos)
Résumé :
Chapitre issu de l'ouvrage "29 notions clefs pour savourer et faire savourer la science - primaire et collège", paru aux éditions Le Pommier en août 2009.
Publication : 7 Mai 2014

Variation verticale de la pression

Nous avons vu précédemment que la convection était générée par des différences de masse volumique, différences dont l’origine est une différence de température dans l’air, une différence de salinité ou de température dans l’eau de mer. Lorsqu’on considère l’atmosphère dans toute sa hauteur (plusieurs kilomètres), il est nécessaire d’introduire la pression pour pouvoir aborder plus précisément les phénomènes de convection.
Après la mise au point du baromètre par Evangelista Torricelli au début du XVIIe siècle, Blaise Pascal fit réaliser une expérience au Puy de Dôme. Il fit mesurer la pression atmosphérique en bas et en haut de cette montagne, à l’aide d’un baromètre à mercure, et mit ainsi en évidence la différence de pression atmosphérique avec l’altitude. Ces résultats aboutirent à la notion de pression hydrostatique dont la valeur est celle du poids d’une colonne verticale d’air (ou d’un autre fluide) dont la base a une surface de 1 m2. Elle a permis de grands progrès en fournissant, par exemple, une explication au principe d’Archimède.
La réalisation d’un baromètre sensible aux faibles variations de la pression atmosphérique est délicate et les montages à partir de bouteilles plastiques proposés dans de nombreux livres pour enfants ne fonctionnent pas ou sont plus sensibles à une variation de la température de l’air ambiant qu’à une variation de la pression. Ainsi proposons-nous plutôt une expérience par la pensée.
L’air, comme tous les gaz, est compressible : à température constante, le volume occupé par une masse fixe de gaz diminue lorsque la pression augmente. Ainsi, l’air en bas de l’atmosphère est davantage « écrasé » que l’air en haut de l’atmosphère. Pour la Terre, on obtient finalement que la pression atmosphérique est divisée par deux chaque fois que l’on s’élève de 5 000 m environ.

La dépendance de la pression atmosphérique avec l’altitude peut être illustrée par une analogie entre l’atmosphère et une « tour humaine ». Prenons quatre personnes assez agiles pour monter les unes sur les autres, debout sur les épaules. La personne tout en bas porte sur ses épaules ses trois camarades, celle au-dessus deux, celle encore au-dessus un, et celle tout en haut ne porte personne. Ainsi le poids porté est d’autant plus faible que la personne est en hauteur. La situation est analogue dans tout fluide au repos, tel que l’atmosphère ou l’océan. Au sommet de l’atmosphère, la pression est nulle, et elle augmente lorsque l’on descend vers la surface. Dans l’océan, la pression est égale à celle de l’atmosphère près de la surface et augmente lorsque l’on descend.

Variation verticale de la température

Cette relation entre volume, température et pression d’un gaz peut également être utilisée pour établir qu’une parcelle d’air qui se déplace verticalement sans échange de chaleur avec son environnement voit sa température diminuer avec l’altitude de 10 °C/km pour de l’air sec à 5 °C/km pour de l’air très humide, avec une valeur typique de 8 °C/km. Si la décroissance de la température est plus élevée que ces valeurs, alors l’air en bas est trop chaud (ou l’air en haut trop froid) par rapport à une situation d’équilibre, et il y a apparition de convection. Si la température décroît moins vite que ces valeurs, l’air en bas est plus froid (l’air en haut plus chaud) que dans une situation stable, et le mélange vertical par convection est inhibé. Dans de telles situations et en l’absence de vent, des pics de pollution peuvent apparaître dans certaines régions : la diminution du mélange d’air réduit la dilution des gaz émis par les activités humaines.
La diminution de la température de l’air avec l’altitude est directement perceptible lors des séjours en montagne. Avec une décroissance de la température de 8 °C/km, on obtient, par exemple, que lorsqu’il fait 20 °C au niveau de la mer, il fait environ 0 °C à 2 500 m d’altitude, – 20 °C en haut du mont Blanc et – 45 °C à 8 000 m (altitude des plus hauts sommets et des avions de ligne).
La variation verticale de la température est principalement influencée, outre la convection, par l’absorption du rayonnement solaire et par le refroidissement par rayonnement infrarouge. Le rayonnement solaire est principalement absorbé par la surface de la Terre, seule une petite partie est absorbée directement par l’atmosphère elle-même. Ce rayonnement absorbé ne modifie pas directement la variation verticale de température, sauf entre 10 et 50 km d’altitude, région qui contient l’essentiel de l’ozone atmosphérique. L’ozone y absorbe le rayonnement solaire, principalement le rayonnement ultraviolet, ce qui conduit à une augmentation de la température.

Le cycle de l’eau

Eau et climat sont étroitement liés. L’eau s’évapore, est transportée parfois sur des milliers de kilomètres, se condense pour former des nuages, puis de la pluie ou de la neige. Elle a un rôle majeur sur le climat à travers l’effet de serre de la vapeur d’eau, l’effet des nuages sur les échanges par rayonnement, l’énergie thermique absorbée lors de l’évaporation de l’eau ou, au contraire, l’énergie dégagée lorsque la vapeur d’eau se condense en gouttelettes pour former les nuages et la pluie.

Le cycle de l’eau est très varié mais peut être schématisé de la façon suivante. L’eau s’évapore des océans. Une partie se condense et précipite sur l’océan, une autre est transportée sur la terre sous forme de pluie ou de neige. Sur terre, ces précipitations entretiennent la présence des glaciers, remplissent les cours d’eau et humidifient les sols. Une partie de cette eau rejoint la mer, tandis que le reste s’évapore du sol ou des cours d’eau pour précipiter de nouveau… (cf. le chapitre de Ghislain de Marsily) L’évaporation au niveau du sol s’effectue principalement via la transpiration des plantes et dépend beaucoup du type de végétation. Une forte modification du couvert végétal (déforestation, culture intensive…) peut entraîner un changement sensible du climat local. Représentation schématique du cycle de l’eau. Les flux d’eau sont exprimés en unités de 1013 m3/an,1013 m3/an correspondant à environ deux cents fois le débit du Rhône, ou encore, à deux fois celui de l’Amazone.


L’eau à l’état gazeux, la vapeur d’eau, est toujours présente dans l’air qui nous environne. Cette présence se révèle quotidiennement, lors de la formation de buée sur les vitres en hiver, par exemple.

Un récipient métallique poli (timbale, carafe de cantine…) rempli d’eau très froide, avec des glaçons, fait apparaître de la buée, des gouttes d’eau sur sa partie extérieure. Ces gouttes d’eau résultent de la condensation d’une partie de la vapeur d’eau contenue dans l’air.

À une température donnée, la quantité de vapeur d’eau dans un volume donné ne peut dépasser une valeur maximale. Cette valeur correspond à la saturation, à une humidité relative de 100 %. Si la température diminue, il y a condensation. C’est ce qui se passe lors de la formation de buée sur une surface froide : l’air se refroidissant à son contact, la saturation est atteinte et de la vapeur d’eau se condense. Lorsqu’un récipient fermé contient un peu d’eau, au bout d’un temps assez long, la quantité de vapeur d’eau présente dans ce récipient correspond à la saturation. Il y a équilibre entre la phase liquide et la phase gazeuse. L’évaporation d’une quantité d’eau est immédiatement compensée par la condensation d’une quantité égale de vapeur. Il y a en moyenne autant de molécules d’eau qui vont du liquide au gaz que de molécules allant du gaz au liquide.
La vapeur d’eau est inodore et incolore. Au-dessus d’une casserole qui bout, le panache blanc que l’on voit n’est pas de la vapeur mais est constitué de minuscules gouttelettes d’eau. Celles-ci se forment lorsque l’air humide et très chaud qui s’élève au-dessus de la casserole se refroidit, ce qui conduit à la condensation de la vapeur d’eau. Lorsqu’il fait très froid, notre souffle génère du brouillard. L’air que l’on souffle est toujours humidifié par nos poumons, mais la présence de vapeur d’eau n’est visible que lorsqu’il fait très froid. Il y a alors suffisamment de vapeur d’eau qui se condense pour que les gouttelettes formées soient observables.
L’évaporation et la condensation mettent en jeu des quantités importantes d’énergie. L’évaporation absorbe de l’énergie alors que la condensation en libère.

On place un ventilateur à une cinquantaine de centimètres d’un thermomètre. On remplit un brumisateur (lave vitres, etc.) d’eau tiède ou chaude. Si l’on vaporise cette eau dans le courant d’air du ventilateur, la température indiquée par le thermomètre baisse. Ainsi, bien que l’eau vaporisée soit chaude, l’énergie thermique absorbée lors de l’évaporation est suffisamment importante pour abaisser la température. On peut également vaporiser cette eau chaude sur sa peau (dos de la main par exemple).

L’évaporation absorbe de l’énergie, c’est-à-dire que l’eau prend de l’énergie au milieu qui l’entoure pour passer de l’état liquide à l’état gazeux. Lorsque l’on fait bouillir de l’eau sur une cuisinière, cette énergie provient de la combustion du gaz (ou autres). Lorsqu’une gouttelette d’eau en suspension dans l’air s’évapore, elle prend l’énergie à l’air qui l’entoure. Cet air perd de l’énergie thermique (de la chaleur), c’est-à-dire que sa température baisse. Ce phénomène mis en évidence dans l’expérience ci-dessus est également présent dans la nature. Les gouttes de pluie qui tombent d’un nuage peuvent, durant leur chute, traverser de l’air plus sec et alors s’évaporer. Cette évaporation refroidit l’air ambiant qui devient plus dense et donc se met à descendre. Ces mouvements descendants d’air existent à l’intérieur et au voisinage des orages, et peuvent être très violents et dangereux, notamment pour les avions.
Pour évaporer un gramme d’eau, il faut fournir environ six fois plus d’énergie que pour chauffer ce gramme d’eau de 0 °C à 100 °C. L’importance de l’énergie thermique absorbée lors de l’évaporation est perceptible lors d’expériences banales. Lorsqu’on est mouillé, la sensation de froid est plus forte que lorsqu’on est sec à cause de l’évaporation de l’eau sur la peau. L’eau contenue dans une gourde poreuse (faite en cuir, en tissu…) est rafraîchie grâce à l’évaporation de l’eau qui humidifie les parois.
L’évaporation absorbe de l’énergie et la condensation, par symétrie, en libère.

Sur un chauffe-plat, on dispose deux plats identiques, en verre et avec leur couvercle. Attention : pour éviter que la dilatation des gaz ne fasse exploser les récipients, les couvercles doivent pouvoir se soulever ou rester très légèrement ouverts. Dans l’un des récipients, le fond est recouvert d’eau (quelques millimètres suffisent). Après quelques minutes, des gouttes d’eau se forment sur le couvercle. La température du fond des deux plats est identique, car ils sont posés sur le même chauffe-plat ; qu’en est-il de la température des couvercles ? Une mesure avec un thermomètre ou un simple toucher permet de constater que la température du couvercle est plus élevée pour le récipient contenant de l’eau que pour l’autre. Dans les deux cas, la convection transporte de l’énergie thermique du fond vers le couvercle. Mais dans le récipient contenant de l’eau, il y a également transport de vapeur d’eau qui s’évapore au fond et se condense sur le couvercle. Cette condensation apporte un supplément d’énergie thermique au couvercle qui se traduit par une température plus élevée.

Orages et cyclones sont des phénomènes météorologiques dans lesquels l’énergie dégagée par la condensation de la vapeur d’eau joue un rôle majeur. À l’origine, il y a un phénomène de convection d’air humide. Cet air se refroidit en s’élevant dans l’atmosphère et, lorsque la saturation est atteinte, la vapeur d’eau se condense pour former des nuages (cf. ci-contre, en haut), puis éventuellement de la pluie. Cette condensation libère de l’énergie, ce qui réchauffe l’air, diminue sa masse volumique et donc augmente l’intensité de la convection. La convection s’auto-amplifie et peut donner naissance à des nuages d’orage qui peuvent atteindre une dizaine de kilomètres de hauteur (cf. ci-contre, en bas).

Lorsque la vapeur d’eau commence à se condenser dans l’atmosphère, elle forme de toutes petites gouttes d’eau d’environ 10 μm de diamètre (10 micromètres, c’est-à-dire dix millionièmes de mètre ou encore 0,01 mm). Ces gouttes sont suffisamment petites pour rester en suspension dans l’air et former un nuage. Elles diffusent efficacement la lumière solaire, ce qui rend les nuages si blancs à leur sommet. Lorsque la densité des gouttes à l’intérieur des nuages augmente, elles entrent de plus en plus fréquemment en collision, s’agglomèrent et grossissent. Si les gouttes atteignent un diamètre de 100 μm environ (0,1 mm), elles commencent à tomber et continuent à grossir en s’agglomérant aux gouttes d’eau rencontrées dans leur chute. Les gouttes de pluie éclatent du fait de leur vitesse lorsqu’elles deviennent trop grosses ; le diamètre des gouttes de pluie est en général compris entre 0,5 mm (bruine) et 5 mm.

Lorsque l’on projette de fines gouttes d’eau sur une vitre avec un vaporisateur (tel que ceux utilisés pour laver les vitres), on voit d’abord que la vitre passe de transparente à translucide : les petites gouttes diffusent la lumière et sont immobiles sur la vitre. Si l’on continue la vaporisation, ces gouttes se regroupent pour en former de plus grosses, puis certaines, devenues très grosses, se mettent à glisser sur la vitre et à tomber, commes des gouttes de pluie. On a ainsi une analogie avec ce qui se passe dans un nuage.


Par beau temps, l’absorption du rayonnement solaire entraîne une augmentation de la température de surface. Les basses couches de l’air, réchauffées, donnent naissance à des mouvements convectifs, dont ces nuages de type cumulus sont la signature.
© Jean-Yves Pontailler/CNRS


Dans la zone de convergence intertropicale, l’extension des mouvements convectifs peut être très importante et se traduire par des nuages de type cumulo-nimbus qui atteignent une dizaine de kilomètres de hauteur.
© Nicolas Metzl/CNRS

 

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