E2 Thermodynamique atmosphérique

Topique

La thermodynamique atmosphérique décrit le comportement des parcelles d'air lorsqu'elles s'élèvent, descendent ou se mélangent à l'air environnant. Deux relations fondamentales sous-tendent toute la thermodynamique atmosphérique : la loi des gaz parfaits, qui relie la pression, la densité et la température de toute parcelle d'air de sorte que, connaissant deux de ces trois grandeurs, la troisième est déterminée ; et le premier principe de la thermodynamique, selon lequel la chaleur qu'une parcelle d'air reçoit ou libère se répartit entre la variation de sa propre température et le travail effectué par expansion ou compression. À partir de ces deux relations, on définit la température potentielle : la température qu'aurait une parcelle d'air si elle était placée, sans échange de chaleur avec son environnement, à un niveau de pression de référence commun. Puisque cette température potentielle ne varie pas lorsque la parcelle s'élève ou descend à sec et sans échange de chaleur, elle se comporte comme un thermomètre invariant pour un écoulement adiabatique : si deux parcelles ont la même température potentielle, elles proviennent du même type d'air, même si elles se trouvent maintenant à des altitudes différentes.

Lorsqu'une parcelle d'air saturée en humidité s'élève, la chaleur latente libérée par la condensation de la vapeur d'eau atténue le refroidissement adiabatique qu'elle subirait autrement. C'est pourquoi le gradient adiabatique saturé (GAS), d'environ six degrés par kilomètre d'altitude, est inférieur au GAS sec, d'environ neuf degrés et huit dixièmes par kilomètre, qui correspond au gradient subi par une parcelle s'élevant sans condensation de son humidité. La libération de cette chaleur latente est ce qui distingue une parcelle saturée d'une parcelle sèche : plus la parcelle condense de vapeur d'eau en s'élevant, plus elle libère de chaleur latente et plus son refroidissement est ralenti.

Ce même concept de température potentielle s'étend au cas humide avec la température potentielle équivalente, qui, en plus de la température de la parcelle, intègre l'énergie transportée par sa vapeur d'eau. De même que la température potentielle ordinaire se conserve lors d'une ascension sèche, la température potentielle équivalente se conserve lors des processus adiabatiques humides. C'est pourquoi elle est devenue le paramètre thermodynamique fondamental pour caractériser les masses d'air tropicales et convectives, où l'humidité joue un rôle crucial.

L'ensemble de ce comportement thermique de la parcelle d'air – son refroidissement lors de son ascension, la quantité de chaleur latente qu'elle libère, la vitesse de variation de sa température potentielle – détermine si cette parcelle est finalement plus chaude que l'air environnant. Cette différence de température est à l'origine de la poussée ascendante qui la maintient en mouvement. L'énergie convective disponible quantifie précisément cette énergie potentielle que la parcelle peut convertir en énergie cinétique verticale lors de son ascension libre, propulsée par sa propre poussée ascendante, depuis le niveau de convection libre – point de départ de cette poussée – jusqu'au niveau d'équilibre, où la parcelle cesse d'être plus chaude que l'air environnant et où la poussée ascendante s'épuise. Lorsque l'énergie convective disponible dépasse environ 1 000 joules par kilogramme, l'environnement devient propice au développement d'une convection intense.

Avant même d'atteindre le niveau de convection libre et de commencer à accumuler cette énergie convective disponible, la parcelle d'air doit généralement traverser une couche d'air plus chaude, ce qui la ralentit au lieu de la propulser vers le haut : l'inhibition convective mesure précisément cette barrière énergétique à franchir avant que la convection ne puisse s'amorcer. Ainsi, la thermodynamique atmosphérique décrit le devenir complet d'une parcelle d'air : comment sa température potentielle évolue lorsqu'elle s'élève ou s'abaisse, quelle quantité de chaleur latente elle libère si elle atteint la saturation, et si ces variations lui fournissent finalement suffisamment d'énergie – une fois l'inhibition convective surmontée – pour déclencher une convection intense.

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