• Aucun résultat trouvé

L’abondance de vapeur d’eau dans la colonne, combin´ee au profil thermique, donne une altitude de saturation unit´e vers 20 km. Cette altitude ne correspond pas au maximum d’extinction du nuage qui se situe, lui, `a 25 km. Grˆace `a la Figure 3.6, nous pouvons suivre le nuage dans sa p´eriode active , c’est `a dire de 4 h `a 14 h.

2. SIMULATION DE R ´EF ´ERENCE

Au bout de quelques jours de simulations, un ´etat stationnaire est apparent comme l’indique la Figure 3.5. Le nuage commence `a se former d`es 4 h du matin, et s’´epaissit tel que son opacit´e maximale intervient en d´ebut de matin´ee, vers 8 h, puis celle-ci d´ecroˆıt impliquant une dissipation totale du nuage vers 14 h. Ainsi qu’´etabli dans le pr´ec´edent chapitre, la rapidit´e des processus de condensation et de sublimation permettent au nuage de r´epondre tr`es rapidement aux fluctuations thermiques. C’est donc bien ces deux processus physiques qui permettent qu’un tel cycle diurne puisse se mettre en place .

– Vers 4 h du matin, le refroidissement nocturne de l’atmosph`ere a permis l’augmentation du rapport de saturation entre 20 et 40 km. Cependant, compte-tenu du coefficient de mouillabilit´e employ´e (m=0.945), un rapport de saturation minimal de 1.4-1.5 s’av`ere n´ecessaire pour que le ph´enom`ene de nucl´eation se d´eclenche. Cette condition restreint la formation du nuage `a la fois dans l’espace et dans le temps. Dans notre cas, la nucl´eation s’est produite entre 27 et 33 km peu avant 4h du matin, comme l’attestent l’apparition des cristaux et la disparition des poussi`eres dans cette tranche d’altitude. La condensation ayant d´ej`a d´emarr´e, les cristaux ont pu croˆıtre et atteindre un rayon de 4 µm environ, et sont donc `a l’origine de l’affaissement de la sursaturation dans la zone 27-33 km.

– A 6 h du matin, le refroidissement de l’atmosph`ere s’est poursuivi tandis que la formation du nuage s’est ´etendue `a 37 km. Les poussi`eres qui ´etaient encore `a cette altitude vers 4 h du matin sont nucl´e´ees grˆace au franchissement de la valeur seuil de saturation. Pendant les deux derni`eres heures, la condensation a consomm´e l’exc´edent de vapeur d’eau en sursaturation entre 25 et 33 km o`u l’on constate que S=1. Ce point est confirm´e par l’accroissement simultan´e du rayon moyen des cristaux. Un autre point int´eressant concerne l’extension de la zone nuageuse jusqu’`a 23 km. La concentration des poussi`eres n’ayant pas ´et´e modifi´ee -aucune nucl´eation ne s’est donc produite entre 25 et 20 km- les cristaux ont ´et´e transport´es depuis leur altitude de formation. En effet, sur une distance de 2 km, diffusion et s´edimentation ont des

Figure 3.4 : Profils thermiques employ´es pour la simulation de r´ef´erence. Les diff´erents styles de courbes indiquent les extrema diurnes de la temp´erature atmosph´erique ainsi que le profil obtenu `a midi (courbe en pointill´es), Les variations simul´ees impliquent des fluctuations de pr`es de 5-6 K au cours de la journ´ee .

temps caract´eristiques de l’ordre de quelques heures et permettent donc l’´epaississement du nuage. – Vers 8 h du matin, l’opacit´e du nuage est maximale (∼ 0.06 `a une longueur d’onde de 0.67 µm). Ce

pic d’opacit´e est synchronis´e avec le minimum diurne de temp´erature atmosph´erique comme le montre la Figure 3.5. Le transport a accentu´e l’extension du nuage jusqu’`a 21-22 km. Ceci s’est ´evidemment accompagn´e de l’augmentation de la zone d’influence de la condensation qui impose un profil de S=1 jusqu’`a 22 km. Le nombre de cristaux allant d´ecroissant de 27 `a 21 km, la masse d’eau condens´ee se r´epartit sur un plus faible nombre de noyaux. Le profil du rayon moyen subit donc une forte augmentation entre 27 et 21 km, passant de 6 `a 18 µm. Si l’on consid`ere en parall`ele le profil vertical de glace atmosph´erique donn´e par la Figure 3.7, on voit qu’en passant de 27 `a 20 km, le rapport de masse de glace diminue d’un facteur 4, alors que le nombre de cristaux a, lui, diminu´e d’un facteur 100. La masse d’eau allou´ee `a chaque noyau est donc 25 fois grande `a 20 km, ceci correspondant `a un rayon moyen environ 3 fois plus important. – A 10 h, le soleil a d´ej`a refait son apparition. Le r´echauffement de l’atmosph`ere s’est amorc´e depuis deux heures. La glace commence `a sublimer, ce que l’on peut voir sur la Figure 3.7 qui indique un transfert du rapport de masse de la glace `a la vapeur. La vapeur d’eau relˆach´ee suffit `a maintenir le profil de saturation `a S=1, ce qui n’a n´ecessit´e qu’une fonte partielle des cristaux puisque ceux-ci ont conserv´e leur densit´e num´erique entre 20 et 40 km depuis 8 h. Le nuage reste donc en ´etat d’´equilibre thermodynamique. – A midi, le processus de sublimation est en phase terminale. Le surcroˆıt de vapeur d’eau issu de la sublima-

tion ne parvient plus `a conserver la profil `a saturation. Un nombre important de cristaux ont perdu leur gangue de glace et ont relˆach´e leur noyau ainsi que le montrent les profils verticaux de poussi`eres et de cristaux. La r´eponse du nuage au r´echauffement n’est pas instantan´ee. L’inertie de la sublimation induit

Figure 3.5 : A gauche : Evolution temporelle de l’´epaisseur optique du nuage `a une longueur d’onde de 0.67 µm. Le mod`ele converge rapidement, comme le montre la figure de gauche. A droite : Cette figure est un zoom de la derni`ere journ´ee de simulation. Les fortes amplitudes illustrent parfaitement les apparition et disparition successives du nuage au cours de la journ´ee (30eme jour). La courbe tiret´ee donne l’´evolution de la temp´erature `a 25 km,

2. SIMULATION DE R ´EF ´ERENCE

Figure 3.6 : Profils verticaux du nombre de poussi`eres (haut-gauche), de cristaux de glace (haut-gauche), du rayon moyen des cristaux (bas-gauche), et du rapport de saturation (bas-droite). Afin de bien circonscrire la p´eriode et la zone o`u le nuage ´evolue dans la journ´ee, nous avons reproduit ces profils de 4 h `a 14 h toutes les deux heures (comme indiqu´e dans la figure) et limit´e la tranche d’altitude de 20 `a 40 km.

en fait un l´eger d´ephasage (d’une heure tout au plus) mais le nuage r´esiduel est `a ce moment fortement instable.

– A 14 h, le nuage a totalement disparu. Poussi`eres et vapeur d’eau ne sont alors plus gouvern´ees que par les processus de transport. Cependant, la diffusion turbulente de la vapeur d’eau, dont le temps

Figure 3.7 : La figure reprend la mˆeme logique de pr´esentation que la Figure 3.6 `a savoir le suivi des profils verticaux de vapeur d’eau et de glace d’eau entre 4 h et 14 h. On notera les fluctuations journali`eres de pr`es d’un facteur 2 du profil de vapeur d’eau entre 27 et 31 km.

caract´eristique est d’environ 10 jours, ne perturbera que tr`es faiblement le profil vertical de vapeur d’eau jusqu’`a la prochaine formation (seulement 2-3 ppm de variation entre 14 h et 2 h du matin dans la tranche 20 `a 40 km).

L’un des int´erˆets de ce mod`ele est de pouvoir obtenir une information sur les distributions en taille des particules. Sur la Figure 3.9, sont report´ees les ´evolutions horaires des distributions en taille et en altitude des cristaux de glace d’eau et des poussi`eres. Il apparaˆıt clairement que ce processus discrimine la taille des noyaux de condensation mais aussi la portion d’atmosph`ere franchissant le rapport de saturation critique (un bon exemple de la restriction verticale est visible `a 4 h du matin). Les poussi`eres dont le rayon est inf´erieur `a une valeur de coupure d’environ 0.02 µm sont ´epargn´ees par la nucl´eation entre 35 et 50 km. C’est l’effet de courbure prescrit par loi de Kelvin qui fixe cette valeur3. Entre 25 et 35 km, le rayon de coupure diminue

progressivement comme le montre la Figure 3.8 (`a 25 km, ce rayon est de 0.09 µm contre 0.06 µm `a 27 km) mais aussi la distribution taille-altitude des poussi`eres (Figure 3.9) dont les isocontours marquent une l´eg`ere inclinaison `a 4 h. Ceci met en valeur la d´ependance du rayon de coupure `a la sursaturation, qui ´etait croissante entre 25 et 30 km lorsque la nucl´eation s’est produite vers 3-4 h du matin (cf. Figure 3.6 pour 4 h du

3

Effet qui d´epend du rapport x entre la taille du noyau et de l’embryon de glace. Ce dernier, on l’a vu dans le chapitre pr´ec´edent, se situe aux alentours de 0.01 µm mais diminue lorsque le rapport de saturation augmente.

2. SIMULATION DE R ´EF ´ERENCE

matin). La Figure 3.9 illustre tr`es bien l’effet de la condensation et de la sublimation sur les spectres en taille des cristaux. On peut constater l’effet de resserrement induit par la condensation sur les distributions entre 4 h et 8 h (entre temps, la nucl´eation a entraˆın´e l’apparition de cristaux entre 35 et 45 km). A l’inverse, le r´echauffement atmosph´erique entre 8 h et 12 h provoque un ´etalement des spectres vers les plus petites tailles et une lib´eration des noyaux dans la partie inf´erieure du nuage.