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Gradient thermique adiabatique

Le gradient thermique adiabatique est, dans l'atmosphère terrestre, la variation (gradient) de température de l'air avec l'altitude qui ne dépend que de la pression atmosphérique, c'est-à-dire :

  • sans considération d'échange de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) avec l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les...) (autres masses d'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser...), relief) ;
  • sans considération de condensation (La condensation est le nom donné au phénomène physique de changement d'état de la matière qui passe d'un état dilué (gaz) à un état condensé (solide ou...) (formation de nuages) ni de précipitation (En météorologie, le terme précipitation désigne des cristaux de glace ou des gouttelettes d'eau qui, ayant été soumis à des...).

Ce concept a une grande importance en météorologie, ainsi qu'en navigation aérienne (La navigation aérienne est l'ensemble des techniques permettant à un pilote d'aéronef de maitriser ses déplacements. En général, cette route débute et se termine sur un aérodrome.) et maritime.

Mécanisme

La variation de pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) de l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) est très complexe. Toutefois, pour comprendre un certain nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de mécanismes météorologiques, on peut s'en tenir à un modèle très simple qui ne dépend que de l'altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau de base. C'est une des composantes géographique et biogéographique qui explique la...).

Dans la troposphère (La troposphère est la partie de l'atmosphère terrestre située entre la surface du globe et une altitude d'environ 8 à 15 kilomètres, selon la latitude et la saison. Elle est plus épaisse à...), on peut considérer l'air comme un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de...) parfait : la pression est relativement faible (de l'ordre de 105 pascals) et les molécules n'ont pas d'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) autre que des chocs entre elles. Ainsi, si une masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et...) d'air n'échange pas de chaleur avec son environnement (conditions dites adiabatiques), sa température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et...) ne dépend que de sa pression : lorsque l'air se comprime, il s'échauffe, et lorsqu'il se détend, il refroidit.

Dans une atmosphère totalement sèche, on a  :

CP·dT + M·g·dz = 0 ;

  • CP est la capacité calorifique (La capacité thermique (ou capacité calorifique) d'un corps est une grandeur permettant de quantifier la possibilité qu'a un corps d'absorber ou restituer de l'énergie par...) molaire à pression constante de l'air ;
  • dT est la variation élémentaire de température pour une variation d'altitude dz ;
  • M est la masse molaire de l'air ;
  • g est l'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est une...) de la gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.).

Ce résultat s'obtient en posant que l'enthalpie (L'enthalpie (du préfixe en- et du grec thalpein: chauffer) est une fonction d'état de la thermodynamique, dont la variation permet d'exprimer la quantité de...) généralisée est constante. '

Ainsi, si une masse d'air s'élève, elle se refroidit par détente adiabatique (En thermodynamique, une transformation est dite adiabatique (du grec adiabatos, « qui ne peut être traversé ») si elle est effectuée sans qu'aucun échange de chaleur n'intervienne entre le système étudié et le...) (puisque la pression de l'air diminue), et si elle descend, elle se réchauffe par compression adiabatique (puisque la pression de l'air augmente). Cette variation de température avec l'altitude permet de définir le gradient thermique adiabatique (Le gradient thermique adiabatique est, dans l'atmosphère terrestre, la variation (gradient) de température de l'air avec l'altitude qui ne dépend que de la pression atmosphérique, c'est-à-dire :).

Gradient adiabatique sec

Dans la troposphère, la température d'une parcelle s'élevant selon le gradient thermique adiabatique est:

\frac {T_0}{T} = \left(\frac {p_0}{p}\right)^\frac {R}{C_p}

avec

  • T0 : température au niveau de référence ;
  • p0 : pression au niveau de référence ;
  • p : pression à l'altitude étudiée ;
  • R : constante des gaz parfaits ;
  • Cp : capacité thermique (La capacité thermique (ou capacité calorifique) d'un corps est une grandeur permettant de quantifier la possibilité qu'a un corps d'absorber ou restituer de l'énergie par échange thermique au cours...) de l'air à pression constante

Il vaut −9,76°C par km. On utilise souvent la valeur approchée de −10°C par km, soit −1°C pour 100 m.

Ce gradient est dit gradient adiabatique sec (car l'humidité ne joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement à ouvrir et fermer...) aucun rôle). C'est celui-ci qu'on peut voir sur le diagramme thermodynamique qu'on appelle émagramme ci-joint (lignes pleines nommées dry adiabat) où on voit que la pente est toujours la même quelle que soit la température (les courbes sont parallèles).

Gradient adiabatique humide ou l'influence de l'humidité

En soi, la présence de vapeur () d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) n'a pas d'influence sur le gradient adiabatique. Toutefois, en dessous d'une certaine température, la vapeur d'eau se condense. Cette température dépend de deux choses :

  • la teneur en vapeur d'eau ;
  • la présence de poussières permettant aux gouttelettes de se former (sorte de floculation).

En effet, hors présence de poussière, on a de la sur-vaporisation : l'eau reste sous forme de vapeur car les gouttelettes qui se forment ne sont pas stables (voir aussi l'article Surfusion).

Si la vapeur d'eau se condense, alors cette liquéfaction (La liquéfaction est un changement d'état de gazeux à liquide, le contraire de l'évaporation, la vaporisation ou de l'ébullition. On parle parfois de condensation liquide.) libère de la chaleur (chaleur latente de vaporisation) : le Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine jaune,...) a chauffé l'eau de l'océan (Un océan est souvent défini, en géographie, comme une vaste étendue d'eau salée. En fait, il s'agit plutôt d'un volume, dont l'eau est en permanence renouvelée par des courants marins....) et du sol, et cette chaleur a été emmagasinée dans l'évaporation ; le changement d'état inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est...) redonne cette chaleur. Ainsi, si la vapeur d'eau se condense, la masse d'air se réchauffe.

De fait, la condensation réchauffant l'air, la valeur absolue (Un nombre réel est constitué de deux parties: un signe + ou - et une valeur absolue.) du gradient est plus faible. Ce taux dépend du relâchement de chaleur latente (L'enthalpie de changement d'état, molaire ou massique, correspond à la quantité de chaleur nécessaire à l'unité de quantité de matière (mole) ou de masse (kg) d'un corps pour qu'il change d'état; cette transformation ayant lieu à température et...) qui lui dépend légèrement de la pression mais plus fortement de la température ambiante. Le taux adiabatique humide n'est donc pas une constante et varie selon les courbes " Moist Adiabat " que l'on voit sur l'image de l'émagramme. Ces courbes changent de pente avec la température et la pression, se rapprochant de l'adiabatique sèche à mesure que l'humidité de l'air est faible (température très froide et/ou faible pression).

Par exemple, le taux moyen est souvent mentionné comme −6°C/km mais en fait varie ainsi :

  • à 100 kPa de pression : de −3,15°C/km (40°C) à −9,78°C/km (-40°C)
  • à 50 kPa de pression : de −2,55°C/km (40°C) à −9,54°C/km (-40°C).

On parle de " gradient adiabatique saturé " ou de " pseudo-adiabatique saturé " (pseudo car on élimine l'eau à mesure qu'elle se condense).

Franchissement d'un obstacle

Supposons un vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface d'une planète. Les vents les plus violents connus ont lieu sur Neptune et sur Saturne. Il est...) sec parallèle au sol qui rencontre un obstacle du relief (Le relief est la différence de hauteur entre deux points. Néanmoins, ce mot est souvent employé pour caractériser la forme de la surface de la Terre.) (colline, montagne). L'air suit le relief et s'élève, il subit donc une détente qui le refroidit. Puis, lorsque l'air redescend sur l'autre versant, il se réchauffe.

Si l'opération a été suffisamment rapide, l'air n'a pas échangé de chaleur avec l'obstacle ni avec l'air d'altitude, il se retrouve donc à la même température de l'autre côté.

Maintenant, si l'humidité de l'air est assez importante, l'eau va se condenser en montant ; mais s'il ne pleut pas, en redescendant, l'air se réchauffe et donc les gouttelettes d'eau s'évaporent à nouveau. La chaleur libérée par la liquéfaction en montant est réabsorbée par l'évaporation (L'évaporation est un passage progressif de l'état liquide à l'état gazeux. Elle est différente de l'ébullition qui est une transition rapide. C'est un changement d'état appelé vaporisation.) en descendant, l'air a donc également la même température de l'autre côté du versant.

Si maintenant il pleut au sommet de la montagne (Une montagne est une structure topographique significative en relief positif, située à la surface d'astres de type tellurique (planète tellurique, satellites comme la Lune),...), cela change les conditions, l'air a perdu une partie de son humidité au sommet de la montagne. Il y a donc moins d'eau qui s'évapore et ainsi moins de chaleur absorbée, l'air de l'autre côté du versant est donc plus chaud. C'est l'effet de fœhn.

Atmosphère stable et atmosphère instable

Considérons une masse d'air située au niveau du sol ; pour imaginer cette masse, on peut par exemple considérer un ballon peu gonflé : la pression à l'intérieur du ballon est tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) égale à la pression extérieure (la paroi est détendue et n'exerce pas de pression), et la chaleur peut traverser aisément sa paroi.

Atmosphère instable

Si le gradient thermique est plus grand que le gradient adiabatique, on est en " atmosphère instable ".

Si cette masse d'air s'élève, par exemple sous l'effet du vent, elle se refroidit par détente adiabatique. Dans ce cas, en altitude, l'air est plus froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) que la masse d'air montante, donc cette masse d'air est plus chaude que l'air ambiant : elle est donc moins dense et elle continue de monter grâce à la poussée (En aérodynamique, la poussée est la force exercée par le déplacement de l'air brassé par un moteur, dans le sens inverse de l'avancement.) d'Archimède.

Inversement, dans les mêmes conditions, si on prend une masse d'air en altitude et qu'on la fait descendre, elle se réchauffe par compression adiabatique, mais moins vite que l'air ambiant qu'elle traverse : elle sera plus froide que l'air des couches inférieures, donc plus dense et elle va continuer à descendre.

Les couches instables d'air en mouvement vertical (montée ou descente) voient donc leur mouvement amplifié.

Les particules sont projetées en altitudes ou bien rabattues au sol, on a donc une bonne visibilité (En météorologie, la visibilité est la distance à laquelle il est possible de distinguer clairement un objet, quelle que soit l'heure. On...). Ceci se produit typiquement lorsqu'un phénomène refroidit le sol et/ou réchauffe l'air en altitude.

Atmosphère stable

Si le gradient thermique est plus petit que le gradient adiabatique, on est en " atmosphère stable ".

Dans ce cas, l'air en altitude est plus chaud que l'air montant, donc la masse d'air montante est plus froide que l'air ambiant. La montée s'arrête, car la poussée d'Archimède est plus faible que le poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la Terre sur un corps massique en raison uniquement du voisinage de la Terre. Elle...), et la masse d'air retourne vers son point (Graphie) de départ.

Inversement, si la masse d'air descend, elle devient plus chaude que l'air ambiant, la descente s'arrête et la parcelle d'air retourne à son point de départ.

Les couches stables d'air ont donc tendance à rester à leur altitude.

Les particules (poussière, gouttelettes d'eau) restent en suspension ( Le fait de suspendre des particules En chimie, la suspension désigne une dispersion de particule. En géomorphologie, la suspension est un mode de transport des...) dans l'air, on a peu de visibilité. Ceci se produit typiquement lorsqu'un phénomène réchauffe le sol et/ou refroidit l'air en altitude.

Gradient sec ou humide

Nous avons parlé jusqu'à présent du gradient adiabatique de la couche sans préciser s'il s'agit d'un gradient adiabatique sec ou humide. Comme une parcelle d'air soulevée ne peut changer de température que selon ces deux courbes:

  • Une parcelle d'air soulevée ne peut changer de température plus vite que le gradient adiabatique sec. Donc toute couche d'air qui aura un gradient plus grand que celui-ci est par définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la division entre les définitions réelles et les définitions...) instable.
  • Une parcelle d'air saturée ne peut, quant à elle, changer de température plus vite que le pseudo-gradient adiabatique humide. Si la couche a un changement de température moindre que ce gradient, on a affaire à une couche stable car elle sera toujours plus chaude que la parcelle soulevée.
  • Lorsque le gradient thermique se situe entre le gradient adiabatique sec et le gradient adiabatique saturé, on a une atmosphère potentiellement instable :
    • Si la parcelle soulevée est saturée et suit l'adiabatique humide, on a une situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un espace par rapport à son environnement proche ou non. Il inscrit un lieu dans un cadre plus...) instable.
    • Si la parcelle n'est pas saturée et suit l'adiatique sèche, on a une situation stable jusqu'à ce que l'on atteigne la saturation par refroidissement d'altitude.

Pour repérer l'instabilité de la masse d'air, on peut pointer la courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les...) de températures sur un diagramme thermodynamique comme le téphigramme. Sur ces derniers, les taux adiabatiques secs et humides sont tracés et on peut donc facilement les comparer à la courbe.

Conséquences

L'atmosphère peut varier de stabilité avec l'altitude. Ainsi on peut retrouver une alternance de couches stables et instables qui donneront des types différents de nuages et des conditions de visibilité et de vent différentes.

  • Dans une couche instable, on a des mouvements verticaux importants qui donnent :
    • Des nuages de type cumulus (cumulus, stratocumulus, altocumulus et cumulonimbus selon l'altitude).
    • Des vents qui soufflent en rafales par mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une préparation aussi appelée mélange. Les substances...) de l'air dans la couche ce qui donne de la turbulence.
    • Une bonne visibilité car les particules sont projetées en altitude.

Ceci peut se produit à n'importe quel niveau de la troposphère si on réchauffe la base de la couche et/ou refroidit l'air au sommet.

  • Dans une couche stable, on a seulement des mouvements verticaux mécaniquement induits (ex. soulèvement par une montagne ou par un front chaud) ce qui donne :
    • Des nuages de type stratus (brouillard, stratus, altostratus, cirrostratus, cirrus).
    • Des vents réguliers qui sont étagés laminairement selon l'altitude.
    • Une visibilité souvent médiocre par accumulation de particules dans la couche.

Ceci se produit lorsqu'un phénomène refroidit la base de la couche et/ou réchauffe l'air à son sommet.

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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