Qu’est-ce qui fait que la vapeur d’eau présente dans l’air se transforme en particules liquides ou solides qui peuvent tomber sur la Terre ? La réponse est que l’air est naturellement refroidi. Lorsque l’air se refroidit jusqu’au point de rosée, il est saturé d’eau. Pensez à l’extraction de l’eau d’une éponge humide. Pour libérer l’eau, vous devez presser l’éponge, c’est-à-dire réduire sa capacité à retenir l’eau. Dans l’atmosphère, refroidir l’air au-delà du point de rosée revient à presser l’éponge – cela réduit la quantité de vapeur d’eau que l’air peut contenir, forçant certaines molécules de vapeur d’eau à changer d’état pour former des gouttelettes d’eau ou des cristaux de glace.
Un mécanisme de refroidissement de l’air est le refroidissement nocturne. Par une nuit claire, la surface du sol peut devenir assez froide en perdant le rayonnement à ondes longues. Si l’air est humide, du givre peut se déposer lorsque la vapeur d’eau forme des cristaux de glace. Cependant, ce refroidissement n’est pas suffisant pour former des précipitations. Les précipitations ne se forment que lorsqu’une masse d’air importante subit une baisse régulière de sa température en dessous du point de rosée. Cela se produit lorsqu’une parcelle d’air est soulevée à des niveaux de plus en plus élevés dans l’atmosphère.
TAUX ADIABATIQUE SEC
Si vous avez déjà gonflé un pneu de vélo à l’aide d’une pompe à main, vous avez peut-être remarqué que la pompe devient chaude. Si c’est le cas, vous avez observé le principe adiabatique. Cette loi importante stipule que si aucune énergie n’est ajoutée à un gaz, sa température augmente lorsqu’il est comprimé. Lorsque vous pompez vigoureusement, en comprimant l’air, la pompe à vélo en métal se réchauffe. À l’inverse, lorsqu’un gaz se dilate, sa température diminue selon le même principe. Les physiciens utilisent le terme de processus adiabatique pour désigner un processus de chauffage ou de refroidissement qui se produit uniquement à la suite d’un changement de pression, sans qu’aucune chaleur n’entre ou ne sorte d’un volume d’air.
Comment le principe adiabatique est-il lié au soulèvement de l’air et aux précipitations ? Le lien manquant est simplement que la pression atmosphérique diminue lorsque l’altitude augmente. Lorsqu’une parcelle d’air s’élève, la pression atmosphérique sur la parcelle devient plus faible, et l’air se dilate et se refroidit, comme le montre la figure 4.9. Lorsqu’une parcelle d’air descend, la pression atmosphérique devient plus élevée, et l’air est comprimé et réchauffé.
Nous décrivons ce comportement dans l’atmosphère en utilisant le taux de lapse adiabatique sec, comme indiqué dans la partie inférieure de la figure 4.10. Il s’applique à une parcelle d’air ascendante qui n’a pas encore été refroidie à saturation. Le taux de déclin adiabatique sec a une valeur d’environ 10°C par 1000 m (5,5°F par 1000 ft) d’élévation verticale. En d’autres termes, si une parcelle d’air s’élève de 1 km, sa température baissera de 10°C. Inversement, une parcelle d’air qui descend se réchauffera de 10°C par 1000 m. Il s’agit du taux sec car aucune condensation ne se produit au cours de ce processus.
Il y a une différence importante à noter entre le taux de déclin adiabatique sec et le taux de déclin de la température environnementale. Le taux de lapse environnemental est simplement une expression de la façon dont la température de l’air immobile varie avec l’altitude. Ce taux varie de temps en temps et d’un endroit à l’autre, en fonction de l’état de l’atmosphère. Il est très différent du taux d’évaporation adiabatique sec. Le taux de renouvellement adiabatique sec s’applique à une masse d’air se déplaçant verticalement. Il ne varie pas en fonction du temps et du lieu, et il est déterminé par les lois physiques, et non par l’état local de l’atmosphère.
Taux adiabatique sec
Poursuivons l’examen du devenir d’une parcelle d’air qui se déplace vers le haut dans l’atmosphère (figure 4.10). Au fur et à mesure que la parcelle se déplace vers le haut, sa température baisse au taux adiabatique sec, soit 10°C/1000 m (5,5°F/1000 ft). Notez cependant que la température du point de rosée change légèrement avec l’altitude. Au lieu de rester constante, elle diminue au taux de déphasage du point de rosée de 1,8°C/1000 m (1,0°F/1000 ft).
A mesure que le processus d’élévation se poursuit, l’air est finalement refroidi à sa température de point de rosée, et la condensation commence à se produire. Ce phénomène est représenté sur la figure 4.10 comme le niveau de condensation de levage. Le niveau de condensation ascendant est donc déterminé par la température initiale de l’air et son point de rosée initial
et peut différer de l’exemple présenté ici. Si la parcelle d’air saturé continue de s’élever, un nouveau principe entre en jeu – le dégagement de chaleur latente.
C’est-à-dire que lorsque la condensation se produit, la chaleur latente est libérée par les molécules d’eau qui se condensent et réchauffe les molécules d’air environnantes.
En d’autres termes, deux effets se produisent en même temps. Premièrement, l’air soulevé est refroidi par la réduction de la pression atmosphérique. Deuxièmement, il est réchauffé par la libération de la chaleur latente de la condensation.
Quel effet est le plus fort ? Il s’avère que l’effet de refroidissement est plus fort, donc l’air continuera à se refroidir au fur et à mesure qu’il sera soulevé. Cependant, en raison de la libération de chaleur latente, le refroidissement se produira à un rythme moindre. Ce taux de refroidissement de l’air saturé est appelé taux de déclin adiabatique humide et se situe entre 4 et 9°C par 1000 m (2,2-4,9°F par 1000 ft). Contrairement au taux de renouvellement adiabatique sec, qui reste constant, le taux de renouvellement adiabatique humide est variable car il dépend de la température et de la pression de l’air et de sa teneur en humidité. Cependant, dans la plupart des situations, nous pouvons utiliser une valeur de 5°C/1000 m (2,7°F/1000 ft). Dans la figure 4.10, le taux adiabatique humide est représenté sous la forme d’une ligne légèrement incurvée pour indiquer que sa valeur change avec l’altitude.
Ne perdez pas de vue qu’à mesure que la parcelle d’air devient saturée et continue de s’élever, une condensation se produit. Cette condensation produit des gouttelettes liquides et des particules de glace solides qui forment des nuages et éventuellement des précipitations.