Thermodynamique atmosphérique et humidité
La chaleur et l'eau sont le moteur des phénomènes météorologiques : lorsque l'air s'élève et se refroidit, la vapeur d'eau se condense et libère de l'énergie, alimentant les nuages, les tempêtes et les précipitations que la thermodynamique nous permet de comprendre et de quantifier.
Definition
La thermodynamique atmosphérique et l'humidité est la branche de la météorologie qui s'intéresse au contenu énergétique et hydrique de l'air, aux processus d'expansion, de refroidissement, de condensation et d'évaporation qui le régissent, et à leurs conséquences sur la stabilité, les nuages et les précipitations.
Scope
Ce domaine couvre la thermodynamique de l'air sec et humide, l'évaluation de la stabilité atmosphérique et de la convection qu'elle permet, la mesure et le comportement de l'humidité atmosphérique, ainsi que les processus microphysiques par lesquels les nuages et les précipitations se forment.
Sub-topics
Core questions
- Comment les lois de la thermodynamique s'appliquent-elles à l'air ascendant et descendant ?
- Qu'est-ce qui détermine si l'atmosphère est stable ou sujette à la convection ?
- Comment la teneur en vapeur d'eau de l'air est-elle mesurée et exprimée ?
- Comment les gouttelettes nuageuses et les particules de précipitation se forment-elles et croissent-elles ?
Key theories
- Processus adiabatiques et gradients thermiques
- L'air ascendant se dilate et se refroidit au taux adiabatique sec jusqu'à saturation, après quoi la libération de chaleur latente ralentit le refroidissement au taux adiabatique humide, ce qui constitue la base de l'évaluation de la stabilité et du développement des nuages.
- Microphysique des nuages
- Les gouttelettes nuageuses se forment sur des noyaux d'aérosols et croissent par condensation et collision, et par des processus de pluie chaude ou de glace, elles deviennent suffisamment grandes pour tomber sous forme de précipitations.
Mechanisms
Lorsqu'une parcelle d'air s'élève, elle se dilate et se refroidit sans échanger de chaleur avec son environnement, c'est un processus adiabatique ; une fois qu'elle se refroidit jusqu'à saturation, la vapeur d'eau se condense et libère de la chaleur latente. Le fait que la parcelle continue de s'élever dépend de la comparaison de sa température avec celle de l'environnement, ce qui définit la stabilité et la convection. L'eau condensée forme des nuages, et la croissance microphysique par condensation, collision et processus de glace peut produire des particules suffisamment lourdes pour tomber sous forme de précipitations.
Clinical relevance
Les principes de la thermodynamique et de l'humidité sous-tendent les prévisions de nuages et de précipitations, du potentiel orageux via des mesures telles que l'énergie potentielle de convection disponible (CAPE), du brouillard et du gel, ainsi que des indices de confort, les rendant indispensables à la météorologie opérationnelle et à l'aviation.
History
La thermodynamique du XIXe siècle a été appliquée à l'atmosphère grâce aux travaux sur les processus adiabatiques et au développement du téphigramme et d'autres diagrammes thermodynamiques ; au XXe siècle, Bergeron, Findeisen et d'autres ont établi la microphysique de la formation des nuages et des précipitations qui complète ce domaine.
Key figures
- Tor Bergeron
- Walter Findeisen
- Hilding Kohler
Related topics
Seminal works
- wallace2006
- rogers1989
Frequently asked questions
- Pourquoi l'air ascendant se refroidit-il ?
- Lorsque l'air s'élève vers des pressions plus basses, il se dilate ; et comme la dilatation effectue un travail aux dépens de l'énergie interne de l'air, celui-ci se refroidit même si aucune chaleur n'est retirée, un processus appelé refroidissement adiabatique.
- Pourquoi les nuages se forment-ils lorsque l'air s'élève ?
- L'air ascendant se refroidit jusqu'à atteindre la saturation, point auquel il ne peut plus contenir de vapeur d'eau ; l'excès de vapeur se condense alors sur de minuscules particules pour former les gouttelettes ou les cristaux de glace qui constituent un nuage.