THERMODYNAMIQUE DE L'AIR ET LES ASCENDANCES THERMIQUES

<= Notes sur les pratiques techniques


Thermodynamique de l'atmosphère: 

Equation d'état: L'air se comporte comme un gaz parfait: 

PV=mRT

 Lorsque l'air est nuageux on utilise une température virtuelle

T' est toujours supérieur à T mais cet écart ne dépasse jamais 5°C. Cette différence est négligeable au dessus de 3000m en raison de la faible teneur en vapeur d'eau.

Température potentielle: température qu'aurait une masse d'air, actuellement à la température T et à la pression P, si elle était ramenée par transformation adiabatique à la pression P0

ma=0.28586
P0=1000mb (par convention)

Mesure de la température: Habituellement mesurée en °C, l'unité scientifique est le Kelvin: T°K=T°C+273.15. On effectue la mesure grace à des thermomètres, normaux, à minima, à maxima. Pour une mesure juste, le thermomètre doit être à l'abri du soleil, sinon il ne fait guère qu'indiquer comment il absorbe l'énergie solaire. 

On doit le placer dans un endroit où sa température puisse s'équilibrer avec celle de l'air ambiant et où on minimise les échanges par convection, conduction, rayonnement. Ils sont placés dans des abris normalisés: aérés (persiennes), protégés du rayonnement solaire (matériau isolant, peinture blanche), la porte s'ouvre face au nord pour ne pas perturber la mesure:


Transformation adiabatique: Détente ou compression rapide, se produisant sans échange de chaleur notable avec l'environnement (l'air est trés mauvais conducteur de chaleur). Dans ce cas on a :


Lois des gradients adiabatique sec et pseudo-adiabatique sec:

Courbe d'état: courbe établissant la variation de température avec l'altitude (émagramme). Cela permet de savoir si l'atmosphère est stable ou instable:

Inversion: Tranche de l'atmosphère dans laquelle la température augmente ou reste constante avec l'altitude. L'air est souvent beaucoup plus sec au dessus des inversions. Sous l'inversion cela peut donner des mers de brumes ou de nuages. Causes:

Dans la réalité l’air est composé d’une succession de couches d’air superposées, avec au moins une couche d’inversion entre le sol et 5000m, souvent entre le sol et 1500-2000m (i.e. plafond).

Ascendances thermiques: L’air est un très mauvais conducteur de chaleur. Une poche d’air surchauffée voit sa température augmenter par rapport à celle de l’air ambiant. La poche subit alors une poussée d’Archimède, et elle va monter lorsqu’elle aura atteint un certain volume ou que le vent aura eu un effet détonateur (ce phénomène se met en place dés que la différence de température atteint 2°C).

La bulle d’air s’élève alors; des brises convergentes affluent vers les cotés pour alimenter le phénomène; l’ascendance dure tant que la différence de température entre la particule d’air et l’air ambiant n’est pas comblée. La vitesse de la bulle dépend de son écart de température avec la masse d’air

On distingue les bulles (phénomène ponctuel) et les colonnes (qui sont continues). La bulle d’air est plus fréquente dans les endroits ventilés, la colonne dans les endroits abrités.

La nuit, la terre perd de la chaleur par rayonnement, cette perte n’est pas compensée par le rayonnement solaire et donc la surface du sol se refroidit. Ce phénomène d’inversion de température prés du sol donne une couche très stable où aucun courant de convection ne peut se développer. Ce phénomène est d’autant plus marquée que la nuit a été claire (en effet, en cas de couverture nuageuse, la perte de chaleur par rayonnement est nettement plus faible, alias effet de serre). Le phénomène des thermiques se développent donc en journée.

Où se produisent les ascendances: les bonnes surfaces sont celles dont la température superficielle s’élève assez facilement sous le rayonnement solaire. Mieux vaut donc un sol clair qui réémet immédiatement la chaleur reçue, qu’un sol sombre qui absorbe la chaleur et la répartit dans sa profondeur. Les facteurs favorables sont donc:

  • Sol clair
  • Sol sec (en effet l’eau pour s’évaporer absorbe une partie importante du rayonnement solaire)

Ce n’est pas tant les caractéristiques dans l’absolu d’un sol qui comptent, mais plutôt son pouvoir absorbant face à celui des sols qui l’environnent :

  • le minéral l’emporte sur le végétal
  • le végétal l’emporte sur l’aquatique
  • le clair l’emporte sur le sombre
Exception: la neige, qui utilise la chaleur qu’elle absorbe à fondre et non à se réchauffer.

Restitution: Inversement lorsque le soleil disparaît, les bonnes sources thermiques n’ont pas de réserves pour rester chaudes et se refroidissent rapidement. Les mauvaises sources au contraire, qui ont enfoui des calories en profondeur, se trouvent être relativement chaudes: elles restituent alors la chaleur emmagasinée sous formes d’ascendances douces et calmes. Les lieux les plus propices à la restitution sont les versants ouest et nord ouest boisés, bien chauffés par le soleil de la fin de l’après midi.

Accident dans l’évolution de la convection: la convection est liée à l’ensoleillement, toute cause diminuant ce dernier sera néfaste à la première:

  • arrivées de nuages étrangers à la convection
  • étalement lorsque les sommets des cumulus rencontrent une tranche d’air humide et stable; cela peut faire disparaître totalement la convection qui sera alors à rechercher dans les rares zones ensoleillées.
Répartition des ascendances:

Si le plafond est bas, les ascendances sont assez nombreuses, et généralement faible

Si le plafond est élevé, les ascendances sont moins nombreuses, mais plus puissantes

En cas d’air stable le nuage se développe assez peu, même si la condensation entraîne un regain d’instabilité. En cas d’air instable on a deux possibilités :

  • Soit il existe une couche d’inversion suffisamment solide pour arrêter le développement des nuages, ceux-ci se ressemblent alors beaucoup, et ont des développements et épaisseurs voisins
  • Soit il n’y a pas de couche d’inversion, et dans ce cas le nuage se développe jusqu’à la tropopause et s’étale contre celle-ci en enclume: c’est un cumulonimbus

Cumulus (Cu): nuages séparés, à contours bien délimités, en forme de choux fleurs; d’un blanc éblouissant dans leur partie ensoleillé, ils sont d’un gris dégradé ailleurs. Lorsque le vent est fort les cumulus ont tendance à s’aligner, donnant ainsi des rues de nuages.  Les cumulus peuvent donner des averses.


Dans un cumulus la partie ascendante se trouve généralement au vent, ou au soleil quand il n’y a pas de vent. Se souvenir que plus on arrive haut sous un cumulus, plus on a de chances d’accrocher. A basse hauteur en cas de vent il est parfois difficile de trouver l’ascendance ayant donnée le cumulus. il faut alors se préoccuper des zones contrastées au sol. Il y a des chances de trouver l’ascendance légèrement décalée sous le vent de ces zones favorables.

Evolution: Les formes 1, 2 et 3 sont les débuts de la vie du nuage lorsqu’il est alimenté; c’est là que sont les meilleures ascendances. Le nuage adulte a une forme en triangle, dont la base est plate et nette. Un jour donné, le cumulus le plus épais matérialise souvent l’ascendance la plus puissante (cette règle n’est pas systématique). Lorsque l’alimentation a cessé le triangle a la pointe vers le bas, la base est floue et déchiquetée

Position de l’ascendance sous le nuage :

 

  • nuage de faible volume: l’ascendance est en dessous
  • nuage d’extension moyenne: l’ascendance est sous la partie la plus épaisse correspondant à la zone la plus sombre de la base
  • nuages ayant une ou plusieurs protubérances: il est fréquent de trouver plusieurs noyaux d’intensité variable.

Effet du vent sur les ascendances: 

Un vent régulier ne hache pas les ascendances dont l’exploitation est facilitée

Un vent irrégulier, ou très fort, donne une ascendance hachée et difficile à exploiter

Les cumulus peuvent être déformés, le sommet rabattu par le vent. L’ascendance se trouve alors sous la partie au vent du nuage


Rues de nuages et cellules: Les ascendances ont souvent un aspect régulier, en rues ou en cellules. Dans les premières centaines de métres les thermiques se forment de manière désorganisée en fonction du sol. Au dessus l'organisation en rouleaux ou cellules se met en place.

Rues: Lorsque l'instabilité dynamique domine les acendances s'organisent en alignement. Sous l'influence de la convection et du vent les lignes d'ascendances et de descendances alternent, donnant des rouleaux convectifs. Les ingrédients de la régularité sont: le vent, l'instabilité thermique et un bon cisaillement de vent entre le sol et l'inversion. 

  • rues dans le sens du vent (rues alignées): quand le vent ne change pas de direction
  • rues dans le sens du cisaillement de vent (rues transversales): en cas de vent instable
Cellules: Lorsque l'instabilité thermique domine on a plutot des cellules:
  • Ouvertes: l'acendance se trouve sur les bords de la cellule
  • fermées: l'ascendance se trouve au centre de la cellule