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Météorologie élémentaire
La visibilité (I) On définit la visibilité dans une direction déterminée comme la plus grande distance à laquelle la transparence de l'air permet de distinguer parfaitement, de jour, un objet sur son arrière-plan ou d'apercevoir une lumière de nuit. Les réductions de la visibilité sont dues à la présence de particules solides ou liquides en suspension dans l'air (poussières naturelles ou industrielles, sable, gouttelettes d'eau, cristaux de glace) ou en voie de précipitation dans l'atmosphère (grêle, neige, pluie, bruine). Brume et brouillard Le brouillard est un hydrométéore constitué de très petites gouttelettes d'eau, souvent invisibles à l'oeil nu, en suspension dans l'air. Par convention, l'appellation "brouillard" est utilisée lorsque la visibilité horizontale au sol est inférieure à 1 km dans au moins une direction; l'appellation "brume" est utilisée lorsque la visibilité horizontale au sol est comprise entre 1 et 5 km. Les brouillards résultent de la condensation de la vapeur d'eau atmosphérique en gouttelettes qui restent en suspension dans l'air en quantité suffisante pour réduire la visibilité à moins de 1 km. Le diamètre des gouttes est de l'ordre de quelques microns (1/1000e mm). Leur vitesse de chute ne dépasse pas quelques millimètres par seconde. Notons que l'importance du refroidissement nécessaire à la production d'eau condensée en quantité suffisante pour avoir du brouillard varie fortement avec la température de l'air. On admet en général qu'il faut 0.5 g d'eau condensée par kilogramme d'air pour qu'apparaisse un brouillard suffisamment épais. De plus, la présence d'une quantité suffisante de noyaux de condensation est nécessaire à la formation du brouillard. Classification des brouillards En fonction du processus physique de formation, on classe les brouillards en : - Brouillards formés par évaporation : brouillard de lac, de rivière, de mer et brouillard frontal - Brouillards formés par mélange de deux masses d'air (mélange par brassage horizontal ou vertical) - Brouillards formés par refroidissement de l'air : - Refroidissement adiabatique (sans échange d'énergie, brouillard de pente) - Refroidissement non adiabatique : - Brouillard d'advection - Brouillard de rayonnement (ou radiatif). Le brouillard d'évaporation Comme son nom l'indique, ce type de brouillard est formé par un apport supplémentaire de vapeur d'eau. Cette vapeur d'eau provient de la surface liquide sous-jacente ou des précipitations. Les brouillards de lac, de rivière, de mer, procèdent du premier processus. Ce type de brouillard se rencontre fréquemment au lever du Soleil au printemps et en été mais il disparaît, en général, assez rapidement après le lever du Soleil. Le brouillard frontal se forme dans l'air froid par évaporation des précipitations provenant de l'air chaud. L'évaporation des gouttes de pluie s'effectue tant que leur température demeure supérieure à la température de l'air froid, bref tant que l'air froid est saturé. La portion supérieure de l'air froid est saturée en premier lieu. Il se forme donc une couche de nuages qui se présentent le plus souvent sous forme de fractostratus. Cette couche de nuages peut descendre jusqu'au sol et former du brouillard. Au cours de la journée, la turbulence provoquée par le réchauffement solaire maintient la couche nuageuse au-dessus de la surface du sol. Cependant, après le coucher du Soleil, la suppression de toute turbulence par rayonnement nocturne provoque une descente brusque de la base des nuages. Ce brusque affaissement de la base constitue une des caractéristiques les plus dangereuses des brouillards frontaux.
Le brouillard de mélange Le mélange horizontal de deux masses d'air ne peut entraîner la formation d'un brouillard très dense car la quantité d'eau condensée de cette manière est très faible; un refroidissement supplémentaire par rayonnement ou un apport de vapeur d'eau est nécessaire. Considérons deux masses d'air nettement différentes : la première ayant une température de 10°C et un rapport de mélange de 7 g/kg (H.R. = 92%); la seconde, une température de 20°C et un rapport de mélange de 14 g/kg (H.R. = 94%). Leur mélange donne une masse d'air d'une température de 15°C et d'un rapport de mélange égal à 10.5 g/kg. Une telle masse d'air est saturée mais ne contient pas d'eau liquide; il n'y aura donc pas de brouillard tant qu'un refroidissement supplémentaire n'intervient pas. Toutefois, en présence d'un grand nombre de noyaux de condensations (dans les régions industrielles par exemple) un tel mélange peut entraîner la formation de bancs de brouillards ou de brume. Ce type de brouillard est très dangereux pour la navigation maritime car leurs manifestations sont peu suivies par les météorologistes du fait du petit nombre de relevés effectués en mer. L'imagerie satellitaire nous apporte ici une assistance très utile. Le brouillard formé par refroidissement adiabatique L'air stable forcé de s'élever sur un relief peut dépasser son niveau de condensation avant d'atteindre le sommet, pour autant qu'il soit suffisamment humide (chute de 10°/1000 m). Une partie du relief peut donc être noyée dans une couche de brouillard qui, pour un observateur situé en contre-bas, apparaît sous forme de stratus. Les régions côtières élevées sont spécialement soumises à ce phénomène étant donné l'humidité importante de l'air en provenance de la mer. Un phénomène similaire peut se produire le matin sur un sol enneigé ou s'il a plut la veille au soir.
Le brouillard d'advection On appelle advection le mouvement horizontal de l'air. Le brouillard d'advection se forme lors du déplacement d'une masse d'air sur une surface (terre ou mer) dont la température est inférieure à la température du point de rosée de la masse d'air. Les conditions les plus favorables à la formation du brouillard d'advection sont : - une humidité relative initialement élevée, - une grande différence entre la température de la surface sous-jacente et celle de l'air, - Un vent modéré (trop de vent provoquerait une turbulence telle que le brouillard se transformerait en stratus). Notons que ce type de brouillard peut se former indépendamment de la couverture nuageuse et du moment de la journée. Sa disparition nécessite invariablement un changement de masse d'air s'il est formé sur mer; mais son déplacement sur un sol plus chaud provoque également sa disparition (ex. à Terre Neuve, dans le sud de la Californie) Dans les régions montagneuses le brouillard d'advection apparaît également suite à la condensation de l'humidité (ex. dans le fond des vallées). Ainsi que nous l'avons dit, une augmentation de la vitesse du vent transforme le brouillard en stratus. Le brouillard de rayonnement Egalement appelé brouillard radiatif, il se forme suite au refroidissement rapide des basses couches de l'atmosphère ou de la surface, généralement pendant la nuit en hiver et au printemps. La vapeur d'eau contenue dans l'air des basses couches de l'atmosphère se condense, formant du brouillard qui s'étend au ras du sol ou des bancs ou nappes de brouillard plus épaisses. Les régions proches de zones humides, d'un lac ou de la mer où la circulation de la brise de mer apporte de grandes quantités de vapeur d'eau à l'intérieur des terres pendant la journée sont propices au développement du brouillard de rayonnement qui est piégé durant la nuit.
La perte de chaleur par rayonnement nocturne dépend en grande partie de la couverture nuageuse. En effet, la présence d'une couche de nuages ralentit de manière sensible le refroidissement des basses couches de l'atmosphère. La nébulosité totale avant la formation du brouillard constitue donc un premier élément qui influence cette formation. Un deuxième élément est constitué par la vitesse du vent au moment de la formation : un vent de 4-10 km/h (2-6 noeuds) est indispensable pour permettre la formation du brouillard de rayonnement. Le rôle du vent consiste à répartir verticalement le refroidissement de l'atmosphère par turbulence. En cas d'absence totale de vent, seule la couche d'air située très près de la surface sera suffisamment refroidie et il en résultera un dépôt de rosée ou de gelée blanche suivant la température du sol. Un vent de plus de 10 km/h (6 noeuds) engendre une turbulence telle que la répartition du refroidissement s'effectue dans une couche d'air trop épaisse et provoque au maximum la formation de stratus. Le troisième élément dont dépend la formation du brouillard de rayonnement est constitué par l'humidité initiale de la masse d'air. Il est en effet évident que le refroidissement nécessaire à la formation du brouillard est d'autant plus faible que l'humidité initiale est élevée. On rencontre régulièrement ce brouillard dans les campagnes. Les praires les plus basses et les plus froides ou celles qui sont régulièrement inondées ou à fleur de nappe aquifère sont couramment couvertes par ce type de brouillard qui se maintient à moins de 10 ou 20 m de hauteur. On le rencontre également le long des routes et autoroutes traversant les régions agricoles ou les bois, les gaz plus chauds émis par les véhicules perçant une trouée dans la nappe de brouillard qui s'étend de part et d'autre de la route. Ce type de brouillard peut également se former dans le désert, notamment à Dubaï (UAE) qui connaît en moyenne 50 jours de brouillard par an. Dans 95% des cas il s'agit de brouillard de rayonnement, les 5% restants étant du brouillard d'advection (il se forme au-dessus de la mer et se déplace au-dessus des terres). De ce qui précède il résulte que les conditions optimales de formation du brouillard de rayonnement sont : - un ciel serein avant formation, - un vent de 4 à 10 km/h au moment de la formation, - une masse d'air très humide. Juste avant l'aube, la visibilité reste assez bonne mais lorsque le Soleil se lève, ce brouillard s'élève et s'épaissit, faisant chuter localement la visibilité à quelques dizaines de mètres, qui remonte rapidement dès que le Soleil prend un peu de hauteur. En mars-avril dans le Bénélux, il suffit d'une ou deux heures pour que ce brouillard se dissipe. Ce type de brouillard disparaîtra si la vitesse du vent augmente (augmentation de la turbulence dans les basses couches) ou par suite du réchauffement diurne du sol dû au rayonnement solaire (évaporation des gouttelettes d'eau).
Le brouillard devient nuage bas lorsque les aérosols en suspension s'élèvent de quelques dizaines de mètres au-dessus du sol et prennent la forme de fracto-stratus épars, généralement au début de la matinée, à moins qu'une perturbation vienne mélanger les fracto-stratus aux nuages bas frontaux.
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