Transcript basses pressions

2011 Formation en météorologie
Références principales :
Malardel 2009, Fondamentaux de Météorologie, ch 2 et 3
Ahrens 2009, Meteorology Today, pp. 193-205
Le concept de la pression et température

Niveau moléculaire : force, par unité de surface, qu’un
gaz exerce contre une surface en vertu des collisions
aléatoires de ses molécules

Cette force est la même dans toutes les directions
puisque les trajectoires des molécules sont aléatoires :
toute collision contre une surface donnée peut se faire
dans toute les directions possibles

Comme la pression, la température est reliée aux
mouvements moléculaires, mais ici on parle de
l’énergie de mouvement moyen des molécules sans
regard aux collisions éventuelles contre une surface
SCA-2611 Introduction à la météorologie
Le concept de la pression

Si on augmente la vitesse des molécules en
augmentant la température, on pourrait croire que la
pression augmentera puisque les collisions seront plus
violentes.

Oui en partie, mais pas si on diminue la densité du gaz
en question :
 Un gaz chaud mais peu dense peut donc exercer la même
pression sur une surface que s’il était froid et dense
 Dans le premier cas, on a des molécules en moins grand
nombre mais plus rapides, dans le second cas des molécules
moins rapides mais plus nombreuses. Dans les deux cas, on a la
même force moyenne due aux collisions, et donc la même
pression.
SCA-2611 Introduction à la météorologie
La loi des gaz parfaits

La pression, la température et la densité ou masse
volumique d’un gaz comme l’air au températures et
pressions caractéristiques de notre atmosphère sont en
tout temps reliées entre elles par la loi des gaz parfaits :
p    R T

p:
:
R:
pression
T:
température
Densité ou masse volumique
constante spécifique de l’air
En plus d’obéir à la loi des gaz parfaits, l’air de l’atmosphère
terrestre subit une autre contrainte fondamentale : la gravité,
qui attire l’air irrémédiablement vers le sol.
SCA-2611 Introduction à la météorologie
La présence de la gravité

Pourquoi alors l’atmosphère ne s’effondre-t-elle pas
complètement au sol, à nos pieds ?
 L’atmosphère ajuste localement sa pression afin de soutenir son propre
poids
○ L’air au bas d’une colonne subit le maximum de poids de l’air au-dessus de
○
○
○
○
celui-ci et donc doit avoir le maximum de pression pour soutenir ce poids
L’air, disons, au milieu de la colonne n’a pas autant de poids à supporter
contre la gravité (puisqu’il y a moins de masse au-dessus), et donc affichera
une moins grande pression
Dans les deux cas, il s’établit un équilibre entre la force de gravité qui pousse
l’air vers le bas et la pression locale qui le pousse vers le haut : l’équilibre
hydrostatique
C’est pourquoi la pression barométrique à un niveau donné est définie
comme étant égale au poids de la colonne d’air au-dessus de ce niveau
À un emplacement donné , la pression barométrique diminue toujours avec la
hauteur, puisque le poids à soutenir est toujours plus faible en altitude que
près du sol
SCA-2611 Introduction à la météorologie
Variation de la
pression
barométrique
avec la hauteur
SCA-2611 Introduction à la météorologie
Comment mesure-t-on la
pression barométrique ?

L’instrument standard servant à
mesurer la pression atmosphérique est
le baromètre à mercure.

L’unité SI de pression atmosphérique
est le pascal
(Pa – force de 1 newton/m2)

Sur les cartes météorologiques, on
utilise l’hectopascal (hPa), ou 100
newtons/m2
SCA-2611 Introduction à la météorologie
Comment mesure-t-on la
pression barométrique ?

Le poids de la colonne de mercure vers le bas
égalise celui de la colonne d’air qui la force
vers le haut. La hauteur de la colonne de
mercure à l’équilibre est donc une mesure de
la pression atmosphérique.

Une hauteur de mercure de 76 cm représente
la pression atmosphérique standard, qui
équivaut à 1013,25 hPa.

Si la pression atmosphérique augmente,
celle-ci poussera davantage sur la surface de
mercure contenu dans la cuvette, ce qui fera
monter la hauteur de la colonne de mercure.
L’inverse se produit lorsque la pression
atmosphérique diminue.
SCA-2611 Introduction à la météorologie
Il faut tout ramener au même
niveau !

Cette hauteur standard est le
niveau moyen de la mer.

La correction appliquée est de
l’ordre de 10 hPa / 100 mètres de
dénivellation (à température
standard).

Le résultat est une carte de la
pression au niveau de la mer, et
les lignes reliant les points ayant
les mêmes valeurs de pression
sont appelées des isobares.
SCA-2611 Introduction à la météorologie
L’origine du vent



Le vent est le mouvement macroscopique de l’air dans
une direction donnée
Le vent, une fois créé, peut subir plusieurs forces qui
l’influencent en grandeur et direction
Mais l’origine du vent est unique :
 C’est la différence de pression entre deux parcelles d’air qui force
l’air de la parcelle ayant la plus grande pression à se mouvoir
spontanément vers la parcelle ayant la pression la moins grande.
 Cette différence de pression se nomme aussi gradient de pression


Cette force génératrice du vent s’appelle : force du
gradient de pression
L’air se déplace toujours (au départ) d’une région de
haute pression vers une région de basse pression
 C’est là encore la conséquence des mouvements aléatoires des
molécules de l’air !
SCA-2611 Introduction à la météorologie
Comment crée-t-on des gradients
de pression ?

Nous nous attarderons à la création des vents horizontaux
 Les vents verticaux sont toujours très faibles car la gravité s’oppose toujours et
annule presque complètement vers le bas le gradient vertical de pression vers
le haut

Pour générer un vent horizontal, il faut créer un gradient de
pression horizontal
 C’est dans ce contexte que l’on parle des régions de hautes et basses
pression : différences de pression dans un même plan horizontal
Puisque nous avons vu que la pression à un niveau donné est le
poids de l’air au-dessus de ce niveau, il suffit, pour changer
cette pression, de faire varier le poids (ou la masse) de l’air audessus de ce niveau.
 Nous verrons que la nature a un moyen fabuleux d’accomplir
cette tâche : il suffit de faire varier la température de l’air !
 Ce concept peut être illustré par l’exemple qui suit : la
circulation thermique

SCA-2611 Introduction à la météorologie

Pour illustrer le concept de
circulation thermique,
considérons une colonne
d’air enfermée dans un
cylindre imaginaire

Les points représentent des
molécules individuelles

La densité est constante
partout

Supposons, dans un premier
temps, que l’air ne que se
dilater vers le haut
SCA-2611 Introduction à la météorologie
La circulation thermique

En (a) : deux colonnes d’air de masse identique, donc même
pression en surface
SCA-2611 Introduction à la météorologie
La circulation thermique

En (b) : on refroidit la colonne 1, on réchauffe la colonne 2.
 La colonne 1 se contracte, la colonne 2 prend de l’expansion, mais la pression en surface
n’a toujours pas changé !
SCA-2611 Introduction à la météorologie
La circulation thermique

En (c), la pression au niveau H de la colonne 2 est supérieure que celle au niveau L
de la colonne 1… pourquoi ?
 Il y a plus d’air au-dessus de H qu’au dessus de L !
 La pression est donc plus grande à H qu’à L, c’est-à-dire un gradient horizontal de
pression de L à H (direction dans laquelle la pression augmente)
 La différence de pression de L à H crée un vent de H à L puisque la pression en H est
supérieure à la pression en L
SCA-2611 Introduction à la météorologie
La circulation thermique

Ensuite:
 La pression chute en surface dans la colonne 2, et augmente en surface dans la colonne
1, ce qui crée un vent en surface de la colonne 1 vers la colonne 2.
 Une convergence dans le haut de la colonne 1 force un mouvement descendant dans
celle-ci, et une divergence dans le haut de la colonne 2 force un mouvement ascendant
dans celle-ci.
 Résultat : une circulation en boucle dans le plan vertical entre les deux colonnes
H
L
SCA-2611 Introduction à la météorologie
La circulation thermique, c’est donc :

Une combinaison de réchauffement et de refroidissement de l’air
causant des variations horizontales de pression en altitude et au
sol

Ces variations de pression forcent l’air à se déplacer des régions
de haute pression vers celles de basse pression.

Ces vents horizontaux sont accompagnés d’ascendance audessus des basses pressions en surface et de subsidence audessus des hautes pressions en surface.

Les régions d’ascension sont presque toujours associées à des
nuages/précipitations, et les régions subsidentes à des régions
claires, sans nuages (beau temps).
SCA-2611 Introduction à la météorologie
En résumé…

Le vent provient des variations horizontales de la pression
atmosphérique (ou barométrique) à un niveau donné

Ces variations de pression sont dues aux variations horizontales
de température

Température et pression atmosphériques sont donc intimement
reliées dans ce ballet aérien qu’est la circulation thermique

Un exemple réel de ce type de circulation est la brise de mer
SCA-2611 Introduction à la météorologie
La brise de mer/lac
•
JOUR
La brise de mer/lac
est un vent local
dont l’échelle
spatiale est de
quelques dizaines
de kilomètre.
NUIT
En Basse-Côte-Nord, elle
peut être ressentie jusqu'à
une vingtaine de km au
large et peut atteindre 50
km/h.
SCA-2611 Introduction à la météorologie
La brise de mer/lac
•
•
•
Soient des conditions isothermes et
isobares à la surface, tôt un matin, par
vent calme.
Terre (18 °C)
Vue en coupe
verticale
Mer (18 °C)
925
hPa
Quelques heures plus tard la température
de la terre augmente tandis que celle de
l'eau demeure à peu près constante grâce
à la grande capacité calorifique de l'eau.
L'air n'est pas réchauffé directement par le
soleil mais plutôt indirectement par la
surface. Donc au-dessus de la terre l'air est
plus chaud qu'au-dessus de l'eau. Ce
réchauffement peut affecter typiquement
une couche de 1000 à 1500 m d'épaisseur.
950
hPa
Le soleil réchauffe
la terre
Terre (27 °C)
Vue en coupe
verticale
975
hPa
Mer (18 °C)
925
hPa
950
hPa
La terre réchauffe
l'air au-dessus
Terre (27 °C)
SCA-2611 Introduction à la météorologie
Vue en coupe verticale
975
hPa
Mer (18 °C)
La brise de mer/lac
•
Puisque l'air chaud est moins dense, l'air
au-dessus de la terre se dilate à partir du
sol. Cela provoque une augmentation de
la distance entre les surfaces de pression.
Au-dessus de l'eau où l'air est très peu
réchauffé la distance entre les surfaces de
pression reste la même.
925
hPa
Le réchauffement fait
dilater l'air sur la terre
950
hPa
975
hPa
Terre (27 °C)
Mer (18 °C)
Vue en coupe verticale
•
Une zone de haute pression se développe
en altitude au-dessus de la terre et par
conséquent, une dépression au-dessus de
la mer en ressort. Un flux d'air s'établit en
altitude de la terre vers la mer à cause de
ce gradient de pression.
H
Un flux s'établit en altitude de
la terre vers la mer
D
925
hPa
950
hPa
975
hPa
Terre (27 °C)
Vue en coupe verticale
SCA-2611 Introduction à la météorologie
Mer (18 °C)
La brise de mer/lac
•
En réponse à l'écoulement en altitude,
une dépression se développe en surface
sur la terre et une haute pression sur la
mer.
H
D
H
H
Terre (27 °C)
Vue en coupe
verticale
SCA-2611 Introduction à la météorologie
975
hPa
Mer (18 °C)
D
Un déplacement d'air plus frais s'établit de
la mer vers la terre à cause de ce gradient Un déplacement d'air s'établit de la
mer vers la terre en réponse à la
de pression.
différence de pression
D
925
hPa
950
hPa
La pression au sol diminue en
réponse à l'écoulement en
altitude
Terre (27 °C)
Vue en coupe
verticale
•
D
925
hPa
950
hPa
H
975
hPa
Mer (18 °C)
La brise de mer/lac
•
Des mouvements verticaux s'établissent aussi en réponse aux écoulements
horizontaux de l'air ce qui complète la circulation de la brise de mer.
D
H
925
hPa
950
hPa
L'air additionné à la surface se
soulève pour remplacer l'air
enlevé en altitude
D
H
Terre (27 °C)
Vue en coupe verticale
975
hPa
Mer (18 °C)
SCA-2611 Introduction à la météorologie
L'air additionné en altitude
descend pour remplacer l'air
enlevé à la surface
Résumé

La pression atmosphérique est la pression exercée par la masse
d’air au dessus du point de mesure.

À un endroit donné, la pression atmosphérique change parce que
la masse de la colonne d’air de surface = 1 m2 , au dessus de
l’endroit, a changé.

Le réchauffement ou le refroidissement d’une colonne d’air au
dessus d’un endroit donné peut établir des variations de pression
sur une surface de hauteur constante au dessus de la surface.
Ch8-24
Résumé

Les différences de pression sur un plan horizontale créent le
mouvement horizontal de l’air : le vent.

La force du gradient de pression est due aux variations spatiales
de pression :
 Dirigée perpendiculairement aux isobares et toujours dirigée des hautes
vers les basses pressions.
 Proportionnelle au gradient de pression (variation de la pression entre deux
points divisée par la distance entre ces deux points).
 Est la force qui cause le mouvement de l’air.
Ch8-25
Cartes météorologiques

Cartes de surface (pression au niveau de la mer)

Cartes d’altitude (cartes isobariques)
SCA-2611 Introduction à la météorologie
Les cartes de la pression au niveau
moyen de la mer (PNM)

Les stations météorologiques rapportent à chaque heure la
pression au niveau de la mer.

Lorsque ces valeurs sont pointées sur une carte, il est
nécessaire de tracer des lignes reliant les mêmes valeurs, afin
de mieux visualiser la structure spatiale de la pression

Ces lignes sont des isobares.
SCA-2611 Introduction à la météorologie
Une carte de PNM

Les « L » : centre de basses
pressions – région où on
observe un minimum relatif
de pression

Les « H » : centres de
hautes pressions - région où
on observe un maximum
relatif de la pression

Il y a plus de masse d’air
(plus de poids) au-dessus
des « H » qu’au-dessus des
« L ».
SCA-2611 Introduction à la météorologie
Les cartes de la pression en altitude
(cartes isobariques)

En altitude, les cartes représentent la pression d’une manière
non-intuitive, en affichant la hauteur à laquelle une pression
donnée est présente, et non la pression pour une hauteur
donnée.

Cela donne des cartes à pression constante ou cartes
isobariques
SCA-2611 Introduction à la météorologie

À gauche : une carte de
PNM en surface pour
situation météo
hypothétique

À droite: la même
situation en altitude telle
qu’illustrée par une carte
isobarique de 500 hPa.
TROUGH = CREUX
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RIDGE = CRÊTE
Discussion
«La pression atmosphérique normale, établie à 101,3 kPa, est une estimation de la
pression moyenne des masses d’air, mesurée au niveau de la mer des régions
tempérées. Une pression inférieure à 101,3 kPa est considérée comme une basse
pression, alors qu’une pression supérieure à 101,3 kPa est considérée comme une haute
pression.» Synergie, page 256.
Pression en hPa
Carte de pression au niveau moyen de la mer
SCA-2611 Introduction à la météorologie
Discussion
Synergie : section 2.4.1,
page 256, paragraphe 2
«La pression
atmosphérique varie
également en fonction de
la température de l’air. En
effet, l’air chaud est moins
dense que l’air froid. Ainsi
une couche d’air chaud de
même épaisseur qu’une
couche d’air froid exercera
une pression moindre.»
Voir aussi figure 34,
Synergie, page 256
SCA-2611 Introduction à la météorologie
Discussion
Observatoire : page 224
Texte correct
Attention à la légende de la figure 7.3 : «Plus y a des particules
d’air, plus la pression est grande, car plus il y a des collisions
entre les particules.»
densité
pression
masse
Nombre de moles
m nM
p  RT ,   
V
V
Constante spécifique de l’air
Masse molaire de l’air
Volume
Température
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