Météorologie et aérologie
L’atmosphère
L’atmosphère
Couches
• Le gaz se raréfie avec l'altitude. 99% de la masse totale de l'atmosphère se trouve entre 0 et 30 km d'altitude.
• La surface de séparation entre la troposphère et la stratosphère s’appelle la tropopause. Elle se situe aux environs de 11 km d’altitude sous nos latitudes.
Rq : la troposphère autour de la terre, se trouve bombée à l'équateur 15 km et aplatie aux les pôles 7 km
L’atmosphère
Composition
• La composition de l’atmosphère est indépendante de l’altitude
• Gaz rares : Argon (Ar), dioxyde de carbone (CO2), vapeur d’eau ( troposphère),
• particularité « locale » : présence d’ozone au niveau de la stratosphère (15-45 km)
L’atmosphère
Pression atmosphérique (1/3)
Rq : Ainsi, une colonne d'air de section 1 m2, du sol jusqu'au sommet de
l'atmosphère, a une masse de 10 000 kg soit la masse d'environ huit automobiles.
C'est un peu comme si, à chaque instant, nous avions l'équivalent de 10 m d'eau sur nos épaules !
Définition : Poids de la colonne d'air s'étendant jusqu'à la limite supérieure de l'atmosphère, au dessus d’une surface de 1 m².
L’atmosphère
Pression atmosphérique (2/3)
L’unité de mesure de la pression est le Pascal [Pa] . 1Pa1N m2 Cependant, en météorologie, on utilise préférentiellement l'hectopascal
(1 hPa = 100 Pa).
Expérience de Torricelli 1643-1644
L’atmosphère
Pression atmosphérique (3/3)
Variations de pression :
• La pression est maximum au sol et elle diminue avec l'altitude.
• La pression correspondant aux conditions standard au niveau de la mer :
1013.25 hPa,
760 mm de mercure (Hg), 29.92 ’’.
Dans les basses couches de l’atmosphère la
pression décroit de : 1 hPa par 8.5 m 1 hPa par 28 ft
L’atmosphère
Températures
Dans la troposphère, la température diminue lorsque l’altitude augmente, pour atteindre une valeur de –56.5°C à sa limite supérieure.
Dans la troposphère, la température décroît de : 2°C par 1000 ft
6.5°C par 1000 m La température correspondant aux
conditions standard au niveau de la mer : Tmer=15°C
L’atmosphère
Températures
Evolution de la température au cours de la journée :
La température passe par :
• Un minimum Tn environ 30 min après le lever du soleil
• Un maximum Tx environ 2 h après le zénith
L’atmosphère
Masse volumique
La loi des gaz parfait précise que :
T R
M p
Avec :
• : masse volumique en kg.m-3
• M : masse molaire du gaz en kg.mol-1
• R : constante de gaz parfaits : R = 8,3144621 J.K-1.mol-1
• T : température en K
• p : pression en Pa
Calcul de la masse volumique de l’air au niveau de la mer en atmosphère standard :
• T : température en K
L’atmosphère
Masse volumique
Calcul de la masse volumique de l’air au niveau de la mer en atmosphère standard :
• T0 =15°C soit T0 = 288.15 °K
• p0 =1013.25 hPa
• R : constante de gaz parfaits : R = 8,3 J.K-1.mol-1
• M : masse molaire de l’air : 29 10-3 kg.mol-1
0 0
0 R T
M p
3 3
2
0 1 23kg m
15 288 31
8
10 29 10
25
1013
.
. .
.L’atmosphère
Atmosphère standard - Atmosphère type
L’altitude d’un avion est indiquée par un altimètre.
Cet altimètre n’est rien d’autre qu’un baromètre.
La pression varie selon le lieu et selon le temps.
Il est donc nécessaire d’établir une correspondance entre altitude et pression sur la base d’un modèle d’une atmosphère commune définie par convention
Problématique :
L’atmosphère
Atmosphère standard - Atmosphère type
Basée sur des observations statistiques l’Organisation de l’Aviation Civile Internationale (O.A.C.I.), a défini les caractéristiques de l’atmosphère type ( standard) :
• Pression de 1013.25 hPa au niveau de la mer
• Température de 15°C au niveau de la mer
• Décroissance de 0.65°C par élévation de 100 m ( 2°C par 1000 ft)
entre le niveau de la mer et 11000 m altitude de la tropopause par convention
• Température constante au de la de la tropopause : -56.5°C dans la partie inférieure de la stratosphère
L’atmosphère
Humidité de l’air et saturation
• L’eau dans l’atmosphère se présente dans ses trois états :
• Solide (glace)
• liquide
• gazeux (vapeur d’eau)
• L’humidité c’est la quantité de vapeur d’eau dans l’air
• La quantité maximale de vapeur d’eau que peut contenir l’air varie selon la
température. Plus la température est élevée, plus l’air peut contenir de la vapeur d’eau.
Température -20 °C -10°C 0°C 10°C 20°C 30°C 40°C
Masse vapeur d’eau maxi
par m3 d’air sec 0.8 g 1.8 g 3.8 g 7.8 g 15 g 27.7 g 49.8g
L’atmosphère
Humidité de l’air et saturation
• Humidité relative :
i eau
d vapeur masse
réelle eau
d vapeur masse
relative humidité
max '
'
Lorsque l'humidité relative atteint 100%, il y a saturation de l'air et apparition d'eau liquide ou solide.
(il faut noter que les micro particules contenues dans l‘air jouent le rôle de
catalyseurs pour la formation de cette eau liquide ou solide; s'il n'y avait pas de micro particules, on pourrait atteindre 200% d'humidité relative sans qu'il y ait condensation)
L’atmosphère
Humidité de l’air et saturation
Le point de rosée (B) est la température à laquelle il faut refroidir (à pression constante) une particule d'air pour qu'elle soit juste saturée.
Point de rosée :
Exemple :
en A l’air est à 21°C et 50% d’humidité. On refroidit à pression constante, l’humidité augmente et en B (11°C) on atteint la saturation (100%) et le brouillard apparaît. 11°C est le point de rosée.
L’atmosphère
Humidité de l’air et saturation
Le point de condensation est la température de saturation par détente (pression variable)
Point de condensation :
Exemple :
en A l’air est à 21°C et 50% d’humidité. La particule atmosphérique s’élève, l’humidité relative augmente et en B (8.5°C) on atteint la saturation (100%) et le brouillard apparaît. 8.5°C est le point de condensation .
La pression diminue lorsque l’altitude augmente. Si
Une particule s’élève, pression diminue et sa température Diminue également.
Particule atmosphérique
1000 m 250m
soulèvement
T = 21°C H = 50%
T = 11°C H = 86%
T = 8.5°C H = 100%
A B
Saturation
L’atmosphère
Humidité de l’air et saturation
Surfusion:
Dans l’atmosphère, les gouttelettes d’eau restent liquides à des températures inférieures à 0°C. Elles sont en état de surfusion.
Le phénomène est courant dans le brouillard et les nuages. Cette eau se
congèlera sur le sol ou sur un avion ayant une température négative (givrage) La condensation ne se produit que si l’air contient des particules solides
microscopiques appelées noyaux de condensation (poussières)
L’atmosphère
Humidité de l’air et saturation
• L’hygromètre : il y a en différents types, certains utilisent un faisceau de cheveux.
• Le Psychromètre : constitué de 2 thermomètres : un sec, l’autre humide. Plus l’écart de températures est grand, plus l’évaporation est grande donc plus l’air est sec. S’ils indiquent la même température alors il n’y a pas d’évaporation et
l’humidité est de 100%
Appareils de mesure :
Thermomètre humide
Thermomètre sec
L’atmosphère
Phénomènes énergétiques
La chaleur est une forme d’énergie qu’on mesure par la température.
Plus celle-ci est élevée, plus il y a d’énergie. Cette énergie est toujours diffusée vers des corps de température plus basse.
Ces transferts thermodynamiques revêtent plusieurs formes :
• La conduction : mode de transfert de chaleur existant dans un milieu donné sans qu’il y ait déplacement apparent de matière.
• La convection : transfert de chaleur qui se réalise avec déplacement de matière.
Ce transfert de chaleur est rencontré dans des fluides, liquide ou gaz.
• Le rayonnement : Le rayonnement est un mode d‘échange d‘énergie par émission et absorption de radiations électromagnétiques.
L’atmosphère
Phénomènes énergétiques : rayonnement
Dans le cas de l’atmosphère, le Soleil réchauffe par rayonnement la Terre, qui en diffuse à son tour selon le même principe la chaleur à l’atmosphère.
Ray. solaire
Ray. terrestre
Ciel clair Ciel nuageux
Forte baisse Baisse
limitée Forte augmentation
Augmentation limitée
Ciel clair Ciel nuageux
L’atmosphère
Phénomènes énergétiques : convection
Transfert de chaleur des basses couches vers les hautes couches. (l'échauffement du sol provoque l'échauffement de l'air - l'air le plus chaud s'élève).
• Le réchauffement du sol se communique par conduction à l'air au niveau du sol
• L’air refroidit retombe, il se crée alors un cycle de convection
• L’air échauffé, dilaté donc plus léger, se met à monter et se refroidit.
Courant ascendant Refroidissement
Sol surchauffé Condensation
L’atmosphère
Stabilité et instabilité de l’atmosphère
L'état de stabilité ou d'instabilité d'une particule d'air dépend de la température de cette particule par rapport à la température de l'air ambiant.
Lorsqu’une particule d’air humide s’échauffe au contact du sol, sa masse volumique diminue et elle s’élève.
Elle subit alors une détente adiabatique et se refroidit :
• Si l’air n’est pas saturé, la température diminue de 1 °C tous les 100 m. On appelle cette diminution, le gradient adiabatique en air sec.
• Si la température atteint le point de condensation, le gradient de température change alors et le gradient en air humide est de 0,6 °C tous les 100 m
L’atmosphère
Stabilité et instabilité de l’atmosphère
Stabilité d’une masse d’air : Soit un volume d’air échauffé au contact du sol :
• si sa température devient égale à celle de l’air ambiant, sa masse volumique le devient également et elle stoppe sa montée.
• si sa température devient inférieure à celle de l’air ambiant, sa masse volumique devient supérieure à celle de l’air ambiant et elle redescend.
15 14 13 12 11
100 m 200 m 300 m 400 m 500 m
16
600 m
14°C 13°C 12°C 11°C 11°C 11°C 11°C
10°C 700 m
0 m
Air ambiant
Isotherme
Volume d’air
L’atmosphère
Stabilité et instabilité de l’atmosphère
Instabilité d’une masse d’air :Soit un volume d’air échauffé au contact du sol :
• Si sa température reste supérieure à celle de l’air ambiant, sa masse volumique reste inférieure à celle de l’air ambiant et elle continue sa montée .
10 9
15 14 13 12 11
100 m 200 m 300 m 400 m 500 m
16
600 m
14°C 13°C 12°C 11°C 10°C 9°C 8°C
7°C 700 m
0 m
Air ambiant
L’atmosphère
Circulation générale :
Les variations de pression à la surface de la terre font apparaitre :
un centre anticyclonique au Pole Nord ( ≈ 1020 hPa ) un axe dépressionnaire sur le 60° N ,
correspondant au front arctique ( ≈ 1000 hPa ) un axe anticyclonique sur le 30° N,
correspondant à la ceinture anticyclonique subtropicale ( ≈ 1025 hPa )
aux environs de l‘équateur une bande dépressionnaire à gradient
extrêmement faible ( ≈ 1010 hPa )
L’atmosphère
Circulation générale :
Les masses d'air en France
Plusieurs masses d'air peuvent atteindre la France et y apporter un temps caractéristique :
Air polaire maritime :
Temps à nuages cumuliformes et averses.
Air tropical continental:
Temps provoquant souvent des orages sur les reliefs.
Air polaire continental : Temps clair et sec
Air tropical maritime :
Temps à brumes, brouillards ou nuages stratiformes bas.
Les masses d’air et les fronts
Les masses d’air et les fronts
Origine des vents
Les champs de pression
La pression standard au niveau de la mer est de 1013 hPa.
En réalité la pression n’est pas constante ni dans l’espace, ni dans le temps. Elle s’organise selon des zones de hautes et basses pressions.
Zones de hautes pressions : les anticyclones Zones de basses pressions : les dépressions
Sur une carte on peut tracer les lignes de même pression, appelées lignes isobares
Les masses d’air et les fronts
Origine des vents
Les champs de pression - lignes isobares
Les masses d’air et les fronts
Origine des vents
Les champs de pression - lignes isobares
Il existe donc un déséquilibre entre anticyclones où règne une surpression, et dépressions. Le rééquilibrage naturel consiste à déplacer de l’air de l’anticyclone vers la dépression. Le vent n’est que la matérialisation de ce déplacement.
Ce déplacement d’air n’est pas si direct, car il est perturbé par la rotation de la terre,
comme nous allons le voir..
Les masses d’air et les fronts
Origine des vents
Force de Coriolis
A avance plus vite que D car la terre est «plus large» à l’équateur Vitesse de la ville A
Vitesse de la ville D
Les masses d’air et les fronts
Origine des vents
Force de Coriolis
Rayon de la terre = 6400 Km durée d’un tour complet = 24h
Quelle est la vitesse de A (sur l’équateur) ? Environ 1675 Km.h-1 Pourtant nous ne sentons pas cette vitesse...
Cela signifie que l’atmosphère tourne avec la terre !
Ainsi les molécules d’air en A ont la vitesse de la ville A, et les molécules d’air en D ont la vitesse de la ville D.
Vitesse des molécules en A Vitesse des molécules en D
Les masses d’air et les fronts
Origine des vents
Force de Coriolis
Une molécule d’air quitte A en direction de D. Elle garde sa vitesse de rotation initiale durant sont déplacement vers D
Les masses d’air et les fronts
Origine des vents
Force de Coriolis
On appelle force de Coriolis la force qui dévie tout objet en mouvement vers :
- la droite en hémisphère nord - la gauche en hémisphère sud
Cette force est très faible et n’est perceptible que sur des déplacements importants.
Elle est utilisée uniquement en balistique longue portée et en météorologie.
Les masses d’air et les fronts
Origine des vents
Force de Coriolis
Déplacement réel des particules hémisphère nord
Vent dans le sens des aiguilles d’une montre
Vent dans le sens inverse des aiguilles d’une montre
Les masses d’air et les fronts
Origine des vents
Champ de pressions – Lignes isobares
La force de Coriolis ramène le vent parallèle aux lignes isobares
Les masses d’air et les fronts
Origine des vents
Champ de pressions – Lignes isobares
Des isobares rapprochées signifient une forte différence de pression, donc un fort vent.
Des isobares espacées signifient vent faible.
Isobares rapprochées = vent fort Isobares espacées = vent faible
Lorsque les isobares sont très espacées, il n’y a quasiment pas de vent on parle de marais barométrique
Les masses d’air et les fronts
Origine des vents
Direction et force du vent
On donne toujours la direction d’où vient le vent
La direction est donnée en degrés lue sur une rose des vents
Force :
La vitesse du vent est donnée en nœuds : kt Exemple :
Le mistral (vent du nord !) : souffle à 40 kt sera noté : 360°/40 kt
Les masses d’air et les fronts
Origine des vents
Cartes météorologiques des vents Pour informer les pilotes du vent, les météorologistes éditent une carte des vents
Ce symbole donne une indication sur l’orientation et la force du vent qui souffle à sa pointe
Les masses d’air et les fronts
Origine des vents
Cartes météorologiques des vents
Quelle est la vitesse et la direction du vent en A ? 070°/40 kt
Dans la situation proposée, quelle est la direction du vent au centre de l’ile ?
150°
Les masses d’air et les fronts
Vents locaux
Vents en France
Les masses d’air et les fronts
Vents locaux
Vents en France
Les masses d’air et les fronts
Vents locaux : La brise de mer
La brise de mer s’établit l’après midi lorsque la terre se réchauffe plus vite que la mer.
Elle souffle de la mer vers la terre.
Les masses d’air et les fronts
Vents locaux : La brise de terre
La brise de terre s’établit la nuit lorsque la terre se refroidit plus vite que la mer.
Elle souffle de la terre vers la mer.
Les masses d’air et les fronts
Vents locaux : La brise de vallée montante
La brise de vallée montante s’établit en début d’après-midi, lorsque les pics rocheux chauffent plus vite que les fonds de vallées
La brise remonte la vallée
Les masses d’air et les fronts
Vents locaux : La brise de vallée descendante
La brise de vallée descendante s’établit en fin de soirée, lorsque les pics rocheux refroidissent plus vite que les fonds de vallées.
La brise descend la vallée
Les masses d’air et les fronts
Origine des masses d’air : Apport d’énergie solaire
De part la forme de la terre, le soleil fournit plus d’énergie au m² à l’équateur qu’aux hautes latitudes.
Les masses d’air et les fronts
Origine des masses d’air : Mouvements à l’échelle terrestre
L’air froid polaire s’étale au sol vers le sud Airs chauds et froids se percutent et repartent en altitude
En se déplaçant, l’air équatorial se refroidit retombe, s’étale
L’air chaud équatorial monte. En atteignant la tropopause, il s’étale au nord et au sud
Aux latitudes tempérées apparait une zone de conflits entre masses d’air chaudes et froides. Nous allons les étudier..
Les masses d’air et les fronts
Origine des masses d’air : Quelques définitions
Masse d’air arctique Masse d’air polaire
Masse d’air tropical
Masse d’air équatorial
Cellule de Hadley
Les masses d’air et les fronts
Origine des masses d’air : Système dépressionnaire
Une masse d’air chaud avance sur une masse d’air froid :
FRONT CHAUD
Lieu de soulèvement de masses d’air :
DÉPRESSION Une masse d’air froid
avance sur une masse d’air chaud.
FRONT FROID Une dépression est un soulèvement de masses d’air articulé autour d’un front chaud et d’un front froid.
Les masses d’air et les fronts
Origine des masses d’air : Système dépressionnaire
Surface front froid
Surface front chaud
Les masses d’air et les fronts
Origine des masses d’air : Système dépressionnaire
L’air chaud avance sur l’air froid et s’élève (car moins dense). A l’arrière, l’air froid avançant repousse l’air chaud en altitude.
Les fronts chauds et froids sont donc des lieux de soulèvement de masses d’air qui créent des nuages, ils forment le corps de la perturbation
Les masses d’air et les fronts
Origine des masses d’air : Système dépressionnaire
Le passage d’un front rend toute pratique aérienne impossible.
Les masses d’air et les fronts
Origine des masses d’air : Occlusion
Le front froid avançant plus vite que le front chaud, il le rattrape. Lorsque les 2 se rejoignent il y a occlusion.
Les masses d’air et les fronts
Origine des masses d’air : La traine
Le front froid est toujours suivi d’une masse d’air froid où vont apparaitre les cumulus avec une excellente visibilité, c’est la traine. Si la traine est active les cumulus peuvent se transformer en cumulonimbus.
Les masses d’air et les fronts
Origine des masses d’air : Symboles des cartes météo
Sur les cartes météo, les front sont représentés par leurs traces au sol. Elles informent donc les pilotes sur la présence de nuages et leurs parcours.
Front froid Occlusion
Front chaud
Les masses d’air et les fronts
Météorologie européenne
Les perturbations se forment sur l’atlantique et arrivent sur l’Europe
Si l’anticyclone des Açores et remonté au nord, la dépression est repoussée au nord et il fera beau sur la France.
Ainsi la météo française est un balancement entre anticyclone des Açores et dépressions d’atlantique nord
Les nuages
Les nuages
On peut créer un nuage par refroidissement à
pression constante
On peut créer un nuage en élevant une masse
d’air en altitude Un nuage se créé par
refroidissement d’une masse d’air
Formation des nuages
Les nuages
Formation des brouillards et des brumes
Les brumes et brouillards sont des nuages qui se créent à la surface de la terre
Les nuages
Brouillard de rayonnement
Durant la nuit, la terre rayonne et se refroidit.
La couche d’atmosphère en contact avec le sol se refroidit aussi, jusqu’à atteindre la saturation en vapeur d’eau : c’est le brouillard de rayonnement.
• Il ne peut apparaitre en présence de vent.
• Epaisseur de 1 à 100 m
• Disparait lorsque la température augmente
Les nuages
Brouillard d’advection
Une masse d’air chaude et humide arrive sur un sol froid et se refroidit par la base.
En refroidissant, il se sature en eau, d’où apparition de brouillard
Les nuages
Brouillard de pente
Une masse d’air chaude et humide est poussée par le vent sur une pente douce.
En montant la masse d’air se détend, sa température diminue et il en résulte de la condensation
Les nuages
Brouillard d’évaporation
Le lac étant plus chaud que la masse d’air, l’eau s’évapore et augmente le taux d’humidité de la masse d’air jusqu’à saturation
Ce brouillard apparait donc par apport d’eau
Les nuages
Brouillard de mélange
Le fort vent et la turbulence permettent un mélange homogène de 2 masses d’air.
Les deux apports d’humidité amènent à la saturation et au brouillard Ce type de brouillard est assez rare
Les nuages
Nuages stables/instables :
Nuages horizontaux, gris, bords mal délimités
Nuages verticaux, dense, en forme de mouton, blanc, bien délimités
ATMOSPHÈRE STABLE ATMOSPHÈRE INSTABLE
Nuages stratiformes Nuages cumiliformes
Les nuages
Nuages stables/instables :
ATMOSPHÈRE STABLE ATMOSPHÈRE INSTABLE
Nuages stratiformes Nuages cumiliformes
Cirrostratus
Altostratus
Stratus
Cirrocumulus
Altocumulus
Cumulus 6000 m
3000 m
Les nuages
Nuages stables :
Les nuages
Nuages stables :
Les nuages
Nuages stables :
Les nuages
Nuages stables :
Les nuages
Nuages instables :
Les nuages
Nuages instables :
Les nuages
Nuages instables :
Les nuages
Nuages instables :
Les nuages
Nuages instables :
Les nuages
Nuages instables dangereux :
Les nuages
Nuages récapitulatif :
Les nuages
Nuages exercices :
Altocumulus
Les nuages
Nuages exercices :
Altostratus lenticulaire Cumulus
Cirrostratus
Les nuages
Nuages exercices :
Stratocumulus Altostratus
Les nuages
Précipitations associées
Type de nuages Précipitations
Nimbostratus pluies faibles, neige
Stratocumulus averses de pluie ou neige
Cumulus averses de pluie ou neige
Cumulonimbus fortes averses de pluie, neige, grêle
Phénomènes dangereux pour le vol
L’effet de foehn
C’est un vent froid et humide qui devient chaud et sec en passant un relief
Phénomènes dangereux pour le vol
Onde orographique
Au passage d’un relief, une masse d’air est projetée vers le haut. Derrière le relief, se créer une ondulation autour de la position d’équilibre, c’est l’onde orographique.
Les ondes sont marquées par des nuages lenticulaires .
Derrière le relief, il existe une zone de fortes descendances turbulentes, parfois marquée par un petit nuage : danger !
Phénomènes dangereux pour le vol
Le cumulonimbus
Le cumulonimbus est un nuage instable. Les molécules d’air sont envoyées en altitude jusqu’à la tropopause où elles forment une «enclume». Les Cb sont à l’origine d’averses, orages, grêlons.
C’est un nuage TRÈS DANGEREUX en aviation.
Phénomènes dangereux pour le vol
Le cumulonimbus, formation des grêlons
Une molécule d’eau s’élève dans le nuage, en s’élevant elle refroidit et glace. Etant plus lourde elle redescend dans le nuage avant d’être renvoyée en altitude où le grêlon grossit.
Plus gros grêlon au monde : 1959 au Kazakhstan : 1,9 Kg
Phénomènes dangereux pour le vol
Le cumulonimbus, effet des grêlons
Phénomènes dangereux pour le vol
L’orage
Les mouvements d’air dans le Cb sont à l’origine de frottements qui créent des charges positives et négatives, à l’origine des décharges électrique :
LA FOUDRE
Les avions n’attirent pas la foudre. Lorsqu’il est touché par la foudre, les dégâts sont minimes
Phénomènes dangereux pour le vol
Le givrage
L’aile devient moins efficace : DANGER !
Certains avions sont équipés de dispositifs anti-givrage :
• réchauffement des bords d’attaque
• projection de glycol sur les hélices,
• boudins de bords d’attaque
Phénomènes dangereux pour le vol
Le givrage
Un avion ne peut décoller si il a de la neige ou de la glace sur ses ailes.
Dans ce cas, on procède à un dégivrage : pulvérisation d’un liquide chaud sur les ailes
