Transcript Pression partielle de vapeur d`eau

2011 Formation en météorologie
Références principales :
Malardel 2009, Fondamentaux de Météorologie, ch 9
Ahrens 2009, Meteorology Today, pp. 89-139
L’eau l’extraordinaire

La seule substance sur la Terre présente dans ses trois
phases à l’état naturel : solide (glace), liquide (eau), et
gazeuse (vapeur d’eau)

La molécule d’eau possède un
dipôle électrique permanent,
créant des liaisons hydrogène
entre les molécules
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L’eau l’extraordinaire

Les liens hydrogène aident les molécules d’eau à «se
tenir» ensemble plus facilement, ce qui confère à l’eau
un nombre de propriétés tout à fait uniques :
 Ils permettent à la molécule d’exister à l’état liquide aux
températures et pressions communément rencontrées dans
l’atmosphère
 Il faut beaucoup d’énergie pour changer la température de
l’eau (on dit qu’elle possède une grande capacité calorifique).
○ Beaucoup de chaleur peut être stockée dans l’eau liquide
(les océans)
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L’eau l’extraordinaire
 Les énergies impliquées dans les changements de phase sont très
élevées :
○ 2,5 millions de joules pour évaporer 1 petit litre d’eau
 L’eau possède une grande tension de surface (effets de capillarité)
 La phase solide de l’eau – la glace – flotte !
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La molécule d’eau et ses trois
phases
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La glace
flotte !
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Évaporation, condensation et
saturation

En phase liquide, les mouvements des molécules individuelles
sont assez faibles pour que les liaisons hydrogène forcent les
molécules à « coller » entre elles, mais assez forts pour que la
masse d’eau reste « mouvante » et non cristallisée comme la
glace.

En phase gazeuse, les liaisons hydrogènes sont inexistantes et les
molécules se déplacent librement

À la surface d’un volume d’eau liquide, il y a toujours une fraction
des molécules en phase liquide qui, au fil des collisions avec leurs
voisines, acquièrent une énergie suffisante, et dans la bonne
direction, pour échapper à l’attraction des liaisons hydrogène et
passer à la phase gazeuse. C’est l’évaporation
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Évaporation, condensation et
saturation

De la même manière, il existe toujours une fraction des
molécules dans la phase gazeuse possédant une faible énergie
qui « plonge » dans la phase liquide, devenant emprisonnée
par les liaisons hydrogènes des molécules « liquides ». C’est la
condensation

Dans un contenant fermé, les taux d’évaporation et de
condensation arrivent éventuellement à l’équilibre : c’est la
saturation. Cet équilibre est fonction uniquement de la
température

Aux pressions et températures communes, la vapeur d’eau et
l’eau liquide coexistent donc parfaitement bien et, à la
saturation, la vapeur d’eau a atteint sa pression saturante.
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Évaporation et condensation
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Comment s’exprime la vapeur
d’eau dans l’air



Humidité absolue (kg/m3) (densité de la vapeur d’eau – non
utile car sa valeur change avec le volume pour une même
masse de vapeur)
Pression partielle de vapeur d’eau (hPa)
Humidité spécifique (g/kg)
 Masse de vapeur d’eau par masse d’air totale

Humidité relative (%)
 Taux d’humidité de l’air (masse de vapeur d’eau dans l’air/ masse de
vapeur s’il était en équilibre avec l’eau liquide)

Point de rosée (°C)
 Température à laquelle une parcelle d’air humide doit être refroidie
pour atteindre la saturation de sa vapeur d’eau – c’est la température à
laquelle on forme du brouillard ou du nuage
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Humidité absolue
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Humidité spécifique
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La pression partielle et de saturation
•
•
La pression atmosphérique est la force par unité de surface
exercée par le poids de l'air au-dessus de la surface.
La pression partielle est la pression qu’exerce une seule espèce
gazeuse du mélange air atmosphérique.
 Sachant que l’air est composé d’oxygène (~21%) et d’azote
(~78%), on sait qu’à la pression standard, soit environ 1013 hPa,
la répartition des pressions partielles est :
AZOTE (N2)
~ 790 hPa
OXYGÈNE (O2)
~ 213 hPa
Dans les premiers 100 km de l'atmosphère terrestre, les
pressions partielles de l’azote et de l’oxygène dépendent
uniquement de la pression totale.
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La pression partielle et de saturation
•
•
La pression partielle de la vapeur
d'eau varie dans le temps et dans
l'espace en relation avec les
conditions météorologiques.
La pression de saturation de la
vapeur d'eau, es, dépend
uniquement de la température et
est atteinte lorsque les taux
d’évaporation et de condensation
sont égaux
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Discussion
Synergie, pages 247 et 248
L’air est un fluide compressible, c’est-à-dire qu’il est formé de molécules qui sont
éloignées les une des autres. À pression constante, l’espace entre les molécules est plus
grand lorsque la température est élevée que lorsque la température est basse.
En raison du plus grand espace entre les molécules d’air, plus la température est élevée,
plus l’air peut contenir de vapeur d’eau, et ce, jusqu'à ce qu’il atteigne sa quantité de
vapeur maximale.
… quand l’air chaud et humide se refroidit, il atteint une température à laquelle il ne
peut plus retenir la quantité de vapeur d’eau qu’il contient. La vapeur d’eau se condense
alors et l’air expulse sont surplus d’eau sous forme de microgouttelettes (ou de cristaux
qui se déposent …)
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Les changements de phase
Les changements de phase dans l’atmosphère sont la base des phénomènes
météorologiques tels que la formation de nuages, de brouillard et de précipitation.
CHALEUR ABSORBÉE
(transformation endothermique)
Fusion
Solide
Évaporation
Solidification
Condensation
Liquide
Déposition
Vapeur
CHALEUR DEGAGÉE
(transformation exothermique)
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Mesures de l’humidité dans l’air
LA QUANTITÉ DE VAPEUR D’EAU DANS L’AIR
L’humidité spécifique =
masse de vapeur d’eau
masse totale de l’air
LE NIVEAU DE SATURATION DE L’AIR
L’humidité relative =
pression partielle de vapeur
pression de vapeur saturante
Le point de rosée = la température à laquelle l’air est refroidi sans
changer la quantité de vapeur d’eau dans l’air pour
atteindre une humidité relative de 100 % (saturation)
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La pression de vapeur
QU’EST-CE QU’UNE PARCELLE OU
PARTICULE D’AIR
Vapeur d’eau
Azote
QU’EST-CE QUE LA
PRESSION PARTIELLE DE
VAPEUR ?
Pression totale = pression due à l’azote +
pression due à l’oxygène +
pression due à la vapeur d’eau
Oxygène
QU’EST-CE LA PRESSION DE
VAPEUR SATURANTE ?
Parcelle d’air
La pression à laquelle l’eau ou la
glace est en équilibre avec la vapeur
d’eau dans un volume donné.
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La pression de vapeur: suite
Y A-T-IL UNE DIFFÉRENCE ENTRE LA PRESSION DE VAPEUR SATURANTE
PAR RAPPORT À L’EAU ET À LA GLACE ?
1er RAPPEL: Parcelle d’air
Vapeur
d’eau
Eau liquide
Glace
Autres…
Liquide
2ième RAPPEL: Changement de phase
Sublimation = solide
vapeur
Évaporation= liquide
vapeur
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Glace
Température = -15°C
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Qu'est-ce qu'un nuage?
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Qu’est-ce qu’un nuage?
•
Un nuage est un amas de gouttelettes d’eau et de
cristaux de glace en très grande concentration
(environ de 100 à 500 par cm3)
•
Les gouttelettes et les cristaux ont une taille typique de 0,01 mm et
sont si légers qu’ils demeurent en suspension dans l’air (par les
molécules d’air elles-mêmes !)
•
Les nuages stockent l’eau dans l’atmosphère, produisent la
précipitation et sont d’une importance capitale dans la régulation du
climat.
•
Les nuages réfléchissent la majeure partie des rayons solaires
incidents et provoquent un climat beaucoup plus frais qu’en leur
absence (environ 15°C)
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Les nuages
Le degré d’humidité dans l’air influence la formation
de nuages.
L’état de l’atmosphère dans lequel les nuages se
forment influence sa forme
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Mouvement de l’air
• l’air se refroidit en montant
dans l’atmosphère
• l’humidité relative augmente
Volume
augmente
et se
refroidit
Volume
diminue et
se
réchauffe
• lorsque l’humidité relative est
proche de 100% des
gouttelettes d’eau se forment
en se condensant sur des
impuretés et …
• un nuage est formé!
Parcelle
d’air
• Quels sont les mécanismes
qui forcent l’air à monter pour
ainsi former des nuages ?
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La formation de nuages
LA CONVECTION
• La surface de la terre
est réchauffée par le
soleil.
• L’air chaud monte et
se refroidit en
montant.
LA RENCONTRE DE
2 MASSES D’AIR
• La rencontre de
différentes masses d’air
force l’air à se déplacer
verticalement.
LA TOPOGRAPHIE
• La relief de la terre
force l’air à monter.
• L’air se refroidit en
montant.
• L’air monte et se
refroidit en montant.
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La formation de précipitation
3 MÉCANISMES :
• collisions et coalescence
• formation de cristaux de glace
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Température diminue
• condensation
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Condensation
évaporation = condensation
Pour une gouttelette d’eau pure, l’air doit
être supersaturé afin d’atteindre un
équilibre évaporation/condensation.
Goutte
d’eau pure
évaporation = condensation
Solution
Par contre, lorsque la gouttelette est
formée sur d’impuretés, elle atteint son
équilibre à une humidité relative beaucoup
plus basse.
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Collisions et coalescence
Grosse
gouttelette de
nuage
Petites
gouttelettes de
nuage
Grosse
gouttelette de
nuage capture
les petites sur
son passage
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Les cristaux de glace : processus de Bergeron
Dans les nuages plus froids, les cristaux
de glace sont formés :
1) par le gèl instantané d’une goutte
d’eau.
2) par le dépôt de vapeur d’eau sur une
impureté.
La pression de vapeur saturée est plus
faible pour la glace que pour l’eau.
Ceci produit un flux de vapeur de la
goutte d’eau à la glace et réduit la
pression de vapeur par rapport à
l’eau.
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Coexistence liquide glace à T < 0°C
L’effet de Bergeron
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Les autres mécanismes
Les cristaux de glace
… ils peuvent aussi
croissent en capturant des
se briser en
gouttelettes de nuage…
morceaux…
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… et capturer
d’autres cristaux de
glace sur leur
passage.
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