E3 Physique de la Vapeur d'Eau, Nuages et Microphysique

Topique

La microphysique des nuages ​​décrit la formation, la croissance et la précipitation des hydrométéores (gouttelettes d'eau liquide, cristaux de glace, flocons de neige et grêle qui se forment au sein d'un nuage). Ce processus débute par la quantité de vapeur d'eau que l'air peut contenir avant saturation, une quantité régie par l'équation de Clausius-Clapeyron : la capacité de l'air à contenir de la vapeur d'eau augmente exponentiellement avec la température, de sorte que pour chaque degré d'augmentation, l'air peut contenir environ 7 % de vapeur d'eau en plus.

Lorsque l'humidité relative de l'air dépasse légèrement 100 % (c'est-à-dire lorsque l'air est légèrement sursaturé), la vapeur d'eau commence à se condenser sur des noyaux de condensation, de minuscules particules en suspension dans l'air qui offrent aux molécules de vapeur une surface sur laquelle s'agglomérer. Ce processus, appelé nucléation hétérogène, est la première étape de la transformation de la vapeur d'eau invisible en la première gouttelette liquide du nuage.

Une fois formée, la première gouttelette grossit par diffusion de vapeur selon l'équation de Maxwell : les grosses gouttes grossissent plus vite que les petites car leur surface de condensation de la vapeur d'eau est plus importante. Cet avantage des grosses gouttes devient décisif lors du processus de collision-coalescence, mécanisme dominant de la formation de la pluie dans les nuages ​​chauds : les grosses gouttes, tombant plus vite que les petites, les rattrapent, entrent en collision et fusionnent en une seule gouttelette encore plus grosse. Plus une gouttelette grossit, plus elle tombe vite et plus elle attrape de petites gouttes en cours de route. Ainsi, la gouttelette qui entre en collision aujourd'hui est plus grosse demain, et cette grosse gouttelette entre à nouveau en collision avec une force encore plus grande, jusqu'à ce que l'augmentation de taille de la gouttelette devienne le moteur de sa propre croissance et qu'elle forme finalement une goutte de pluie.

Dans les nuages ​​mixtes, c'est-à-dire ceux qui ne sont que partiellement glacés, des gouttelettes d'eau surfondue coexistent avec des cristaux de glace. C'est là qu'intervient un troisième mécanisme de croissance : le processus de Bergeron-Findeisen. La pression de saturation de la glace étant inférieure à celle de l'eau liquide, l'air en équilibre avec les gouttelettes d'eau surfondue devient sursaturé en glace. La vapeur d'eau se condense alors préférentiellement sur les cristaux de glace, qui croissent, tandis que les gouttelettes d'eau surfondue qui les entourent s'évaporent pour compenser la vapeur consommée par les cristaux de glace. Ainsi, dans un nuage mixte, la croissance des cristaux de glace se fait au détriment des gouttelettes d'eau surfondue environnantes.

Pour représenter l'ensemble de ces processus dans un modèle numérique sans suivre chaque gouttelette ou cristal individuellement, la microphysique des nuages ​​est paramétrée en décrivant simultanément la distribution des tailles de toutes les gouttelettes ou cristaux du nuage, à l'aide de distributions de tailles de forme caractéristique, et en résumant le comportement collectif de cette distribution par quelques grandeurs : la masse totale, le nombre total de particules et la réflectivité totale.

Le résultat attendu de cette chaîne d'événements – depuis la nucléation de la première gouttelette sur un noyau de condensation jusqu'au processus de collision-coalescence (ou processus de Bergeron-Findeisen) qui provoque sa croissance – est que le nuage commence à précipiter entre vingt et quarante minutes après sa formation. Le taux de précipitation est proportionnel à la réflectivité mesurée par le radar météorologique : plus la réflectivité des hydrométéores du nuage est élevée, plus le taux de précipitation est important. Ainsi, la microphysique des nuages ​​relie, en une seule chaîne, l'humidité invisible présente dans l'air à la pluie, la neige ou la grêle qui finissent par atteindre le sol.

ID:2125