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Météorologie élémentaire
L'humidité La vapeur d'eau contenue dans l'atmosphère influence le rayonnement solaire ainsi que nous l'avons expliqué dans le chapitre consacré à la température. L'eau, par ses actions diverses dans la formation des nuages, du brouillard et des précipitations, est responsable de ce que nous appelons couramment "le temps", défini comme la présence ou l'absence de nuage ou de précipitation. Pour ces raisons il est important de définir et de connaître la quantité de vapeur d'eau contenue dans l'atmosphère et ses variations. En complément nous devons connaître les différents changements d'état de l'eau. Nous allons tout d'abord voir comment cette quantité de vapeur est définie et mesurée. Définitions La tension de vapeur, e C'est la pression partielle exercée par la vapeur d'eau contenue dans l'atmosphère (sachant que la pression atmosphérique se divise en pression exercée par l'air sec et la pression exercée par la vapeur d'eau). Cette tension de vapeur ne peut augmenter indéfiniment. Il existe en effet une limite à partir de laquelle il n'est généralement plus possible d'ajouter de la vapeur d'eau à un volume d'air dont les autres conditions restent inchangées. A ce moment là la saturation est atteinte. La pression partielle exercée par la valeur d'eau au moment où la saturation se manifeste est dénommée "la tension de vapeur à saturation" ou "tension de vapeur saturante". La tension de vapeur saturante dépend uniquement de la température et varie dans le même sens que celle-ci : si la température augmente, la tension de valeur augmente également . Relation entre humidité, température et confort ressenti. Rapport de mélange, w L'air humide est un mélange d'air sec et de vapeur d'eau. Pour définir ce mélange, on rapporte la masse d'eau à l'unité de masse d'air sec. Autrement dit, si une masse de m grammes d'air humide est constituée par mx grammes de vapeur d'eau et my grammes d'air sec, sa composition est déterminée par le rapport mx/my, dénommé "rapport de mélange". Le rapport de mélange est un nombre sans dimension qui reste toujours inférieur à 0.05, voir même 0.001 selon les conditions atmosphériques. Les nombres décimaux étant plus difficiles à manipuler, pour rendre la signification du rapport de mélange plus intuitive, on exprime ce rapport en grammes de vapeur d'eau par kilogramme d'air sec. Ainsi à 15°C le rapport de mélange saturant ws = 10.5 g/kg. Ce rapport augmente avec la température et est fonction de la pression, l'influence de la première étant nettement prédominente. Humidité relative, U En termes météo l'humidité relative est définie comme le rapport entre le rapport de mélange et le rapport de mélange saturant et s'exprime en pourcent : U = 100 w/ws. Lorsque l'air est saturé on a w = ws et U = 100% ; si l'air saturé contient de l'eau liquide il y a du brouillard ou il pleut. Notons que dans certains déserts comme celui d'Atacama au Chili, le taux d'humidité varie entre 3 et 20% (contre ~25 à 70% minimum en Europe en juillet-août) mais il peut descendre à ~1% dans certains déserts d'Afrique. Rappelons que pour éviter que les métaux s'oxydent, y compris les fossiles et les sidérites, il faut les maintenir dans une atmosphère contenant maximum 30% d'humidité (ou sous vide). A consulter : Converter for humidity of air Humidité relative dans le Bénélux, IRM Carte d'humidité de Météo France Température du point de rosée, Td La température du point de rosée est la température à partir de laquelle l'air devient saturé lorsqu'on le refroidit à pression constante. Masse spécifique, ρ Si le terme de masse spécifique est souvent assimilé à celui de densité, les approximations de nombreux auteurs ont souvent conduit à une utilisation erronée de ces termes. La masse spécifique ρ est la masse par unité de volume. Elle s'exprime généralement en g/cm3.
La densité est le rapport entre le poids d'un certain volume d'un corps solide ou liquide et le poids du même volume d'eau à une température de 4°C. Pour un gaz la densité est le rapport entre le poids d'un certain volume de ce gaz et le poids du même volume d'air considéré dans les mêmes conditions de température et de pression. La densité est un nombre sans dimension. Pour un corps solide ou liquide, la masse spécifique et la densité prennent la même valeur : la masse spécifique du mercure vaut 13.6 kg/m3, sa densité vaut 13.6. Cette égalité a vite été mémorisée par les étudiants qui assimilent la masse spécifique des corps à leur densité. C'est exact, sauf s'il s'agit d'un gaz. En effet la masse spécifique de l'anhydride carbonique aux conditions normales de température et de pression est de 1.87 kg/m3 alors que sa densité vaut 1.529. En fonction de la définition de la densité des gaz, la densité de l'air devrait donc être égale à 1 quelle que soit l'altitude. Aussi, doit-on définir une "densité absolue" et une "densité relative" de l'air. La densité absolue de l'air est définie de la même manière que la densité d'un corps solide ou liquide. Cette définition n'est utilisée que pour déterminer la densité de l'air aux conditions normales de température et de pression. La densité relative de l'air est définie de la même manière que la densité des gaz. Dans ces conditions, la densité de l'air aux conditions normales de l'atmosphère standard (1013.25 hPa et 15°C) est égale à 1.
La masse spécifique de l'air subit également une variation en surface et en altitude. La première est principalement due aux variations de température qui peuvent entraîner une variation de 20% de la masse spécifique de l'air. La seconde est principalement due aux variations de pressions. Ainsi si au sol la masse spécifique est de 1.2 kg/m3, elle chutera à environ 0.9 kg/m3 à 3 km d'altitude et tombera à moins de 0.4 kg/m3 vers 11 km d'altitude aux latitudes moyennes. Rappelons pour les passionnés d'aviation que la masse spécifique de l'air revêt une grande importance dans tous les problèmes aéronautiques : sustentation, mesure de vitesse, etc. Les pilotes doivent en tenir compte quand ils évaluent par exemple la distance nécessaire au décollage en fonction de l'état de la masse d'air lorsqu'ils passent d'un aéroport à l'autre. Ainsi, si dans les conditions de l'atmosphère standard la masse spécifique ou masse volumique ρ = 1.226 kg/m3, pour une pression réduite à 1000 mbar et une température de 0°C, ρ = 1.293 kg/m3 (densité de ~1.3); la masse d'air s'est alourdie et l'avion bénéficiera de plus de portance. Toutes ces variables ainsi que la température et la pression sont utilisées par les prévisionnistes dans les diagrammes thermodynamiques que nous étudierons dans le chapitre Stabilité et instabilité pour déterminer l'état de l'atmosphère. Voyons à présent l'origine de l'eau contenue dans l'atmosphère et ses différents changements d'état. Prochain chapitre
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