LA METEO

LA METEO : Science des phénomènes atmosphériques et des variations du temps.
ll s'agit ici de définir les paramètres atmosphériques fondamentaux, pression, température, humidité, vent, et de préciser la nature destransformations atmosphériques qui peuvent affecter une "particule d'air".
En météorologie, le mot "particule" revêt un sens spécifique bien différent de celui qu'on lui accorde en sciences physiques, par exemple.
A l'échelle de l'analyse et de la prévision de l'état de l'atmosphère, qualifiée de "synoptique", on peut considérer que les observations effectuées dans une station sont représentatives de ce qui se passe dans un rayon de quelques kilomètres autour de cet endroit et pour une épaisseur de l'ordre de la dizaine de mètres. On définit ainsi, à cette échelle, la particule d'air comme un domaine élémentaire de l'atmosphère au sein duquel les paramètres d'état et de mouvement sont considérés comme uniformes.
La pression atmosphérique
A partir d'une expérience simple de simulation de l'agitation d'un gaz, on peut introduire la notion de pression d'un gaz. La pression résulte des chocs exercés par les particules (les molécules d'air par ex.) sur les parois du récipient. Elle est définie comme le rapport entre la force exercée sur une paroi et sa surface. A noter que la pression d'un gaz est indépendante de l'orientation de la paroi.
En météorologie, la pression mesurée (et que l'on peut mettre en évidence par une expérience ) est la pression atmosphérique. Cette pression exercée par l'air sur une surface correspond au poids de la colonne d'air de section unité s'étendant depuis l'altitude de cette surface (éventuellement le sol) jusqu'à la limite supérieure de l'atmosphère. L'unité de mesure de la pression en météorologie est l'hectopascal (hPa) multiple de l'unité internationale de pression : le pascal (Pa).Depuis 1986, l'hectopascal remplace le millibar (mbar) tel que 1mbar = 1hPa. La pression atmosphérique dite normale est de 1013,25 hPa et correspond à la pression moyenne observée au niveau de la mer. Pour une particule d'air donnée, il existe une relation entre la pression qui y règne, le volume qui la caractérise et la température. La relation physique entre pression et volume à température constante (la loi de Boyle-Mariotte).peut être étudiée à l'aide de manipulations.
La pression atmosphérique présente une variabilité notable tant verticale qu' horizontale
Les variations verticales : La pression atmosphérique diminue quand on s'élève dans l'atmosphère. Ce gradient n'est pas constant et diminue avec l'altitude: dans les basses couches de l'atmosphère, la pression diminue de 1 hPa tous les 8 mètres, alors que la même baisse de pression demande une dénivellation de 60 m vers 18 km d'altitude.
Les variations horizontales : En établissant une carte des pressions au niveau des mers, on s'aperçoit que la valeur de la pression atmosphérique n'est pas la même dans toute la région. Il existe des zones où la pression présente un minimum relatif (les dépressions) et d'autres où la pression présente un maximum relatif (les anticyclones). Pour visualiser ce champ de pression, ce qui permet d'en apprécier les variations, on figure sur un fond géographique les valeurs mesurées en différents points à l'instant considéré et à partir de cet ensemble de valeurs numériques, on trace des lignes d'égales pressions : les isobares. Commentaire: sur ce document, les lignes isobares , cotées en hPa, sont tracées de 5 hPa en 5 hPa. Ce système d'isobares permet d'identifier les zones météorologiques suivantes:
Anticyclone; A : système d'isobares fermées dont la cote croît vers l'intérieur.
Dépression ; D : système d'isobares fermées dont la cote croît vers l'extérieur.
Marais barométrique: région où les lignes isobares sont relativement espacées
Remarque : Pour étudier les variations de pression en altitude, on détermine un niveau de pression de référence (500 hPa, par exemple) et on repère l'altitude où se trouve la pression considéré à la verticale de chaque point de mesure. On obtient alors une carte isobare, où les lignes isohypses relient les points de même altitude, à la pression de référence considérée (500 hPa dans ce cas).
La mesure de la pression atmosphérique s'effectue à l'aide d'un baromètre ou d'un barographe . Elle subit une correction qui s'effectue en fonction de l'altitude du lieu de mesure.
Quelques valeurs extrêmes de pression atmosphérique observée en surface (et toujours corrigée, de façon à ramener sa valeur à celle qu'elle aurait au niveau de la mer) :
en Sibérie, le maximum record de pression fut relevé à 1083,8 hPa (anticyclone sibérien).
dans le Pacifique, le minimum record fut relevé à 867 hPa au coeur d'un cyclone tropical.
La température
La température mesure l'agitation microscopique de la matière et traduit les différents échanges d'énergie qui affectent les corps. L'air atmosphérique est soumis à ces transferts, et la température de l'air est un paramètre physique fondamental pour la compréhension des phénomènes météorologiques. L'instrument de mesure associé, le thermomètre, dont le principe de fonctionnement des modèles les plus simples repose sur la dilatation d'un liquide ou d'un solide, permet de quantifier cette grandeur.
L'unité internationale utilisée pour exprimer la température est le Kelvin (K). En météorologie, on utilise courammentt le degré Celsius (°C).Une relation est établie entre les échelles Kelvin (K) et Celsius (°C) telle que: T(en K)= t (en °C) +273,15
Sur une carte météorologique, les lignes d'égale température sont représentées par des isothermes. La température de l'air en un lieu est un paramètre atmosphérique très fluctuant qui dépend de différents facteurs , tout particulièrement :
la nature du sol , l'humidité et la température de celui-ci plus ou moins exposé au rayonnement solaire selon la saison, l'heure de la journée, la latitude, l'altitude ...
le vent, qui favorise le brassage et les échanges entre couches d'air
la couverture nuageuse
Les phénomènes de condensation ou d'évaporation qui modifient sensiblement l'évolution de la température d'une particule d'air
. Les mesures : Dans les stations météorologiques on relève quotidiennement :
La température minimale quotidienne, notée TN (entre 18 h UTC la veille et 18 h UTC le jour J)
La température maximale quotidienne, notée TX (entre 6 h UTC le jour J et 6 h UTC le lendemain)
La température moyenne quotidienne, obtenue par le calcul (TN + TX)/2
Les valeurs extrêmes de températures enregistrées au sol et sous abri, ont été respectivement enregistrées :
en Libye, avec un maximum record de + 58°C.
en Antarctique, à la station russe de Vostok, avec un minimum record de -88, 3°C pour l'hémisphère sud.
en Sibérie, avec un minimum record de - 78°C pour l'hémisphère nord
L'humidité
Comme toute matière, l'eau peut exister sous différents états : solide, liquide, gaz
L'air atmosphérique est en fait un mélange d'air sec et de vapeur d'eau (eau à l'état gazeux), ce que l'on peut traduire ainsi : AIR HUMIDE = AIR SEC + VAPEUR D'EAU (en quantité variable)
Pour une particule d'air atmosphérique, la pression, P, résulte donc de la présence d'air sec et de vapeur, et on considère qu'elle équivaut à la somme d'une pression "partielle" ,Pa, due à l'air sec et d'une pression partielle, e, due à la vapeur d'eau : P = Pa + e
Vapeur sèche et vapeur saturante : Lorsque l'eau à l'état de vapeur est au contact de l'eau à l'état liquide (dans un nuage, par exemple), la vapeur est dite saturante. Si cette condition n'est pas réalisée, la vapeur d'eau est qualifiée de sèche. Dans des conditions de température données, la valeur la plus élevée que peut prendre la pression partielle de la vapeur correspond à la situation de saturation (on la note usuellement ew). Lorsque l'air est saturé, P = Pa + ew .
A noter que la pression de vapeur saturante ewcroit avec la température, ce qui signifie qu'une particule d'air chaud peut contenir une masse relativement élevée de vapeur d'eau. A titre d'exemple, à 15°C, la saturation est atteinte pour 14,8 g de vapeur d'eau par kg d'air sec, alors qu'à 25°C, la saturation est atteinte pour 27,4 g de vapeur d'eau par kg d'air sec (près du double !).
Humidité relative : Pour représenter le contenu de l'air relativement au contenu maximum lié à la saturation, on définit l'humidité relative par : U = e/ew , où e représente la pression partielle de vapeur d'eau dans l'air et ew la pression de vapeur saturante dans les conditions de température de l'air en question. Usuellement, cette humidité relative s'exprime sous forme d'un pourcentage, inférieur à 100 si l'air est humide et égal à 100 si l'air est saturé.
La mesure de l'humidité relative peut s'effectuer :
· de façon directe à l'aide d'un hygromètre
· de façon indirecte à l'aide d'un psychromètre constitué de deux thermomètres dont l'un mesure la température de l'air et dont l'autre, mouillé, mesure la température d'une surface d'eau s'évaporant dans une mousseline mouillée (température d'autant plus basse que l'air environnant est sec et l'évaporation importante).
Température du point de rosée : Soit initialement une particule d'air humide au sein de laquelle la pression partielle de vapeur d'eau soit égale à e, e étant inférieur à ew (à la température de la particule). Si on refroidit cette particule d'air, ew diminue et on peut atteindre le stade où e = ew. L'air est alors saturé et si on continue de refroidir, l'eau va se condenser en gouttelettes d'eau liquide (ces conditions sont celles de la formation de la rosée matinale). La température telle que e = ew est la température du point de rosée, usuellement notée Td.
Le vent
Le vent est le paramètre physique représentatif des mouvements de l'air. Direction et vitesse du vent sont des grandeurs mesurables dont la connaissance est nécessaire à l'étude cinématique et dynamique des masses d'air. La direction : Elle indique d'où souffle le vent et se détermine à l'aide d'une girouette ou d'une manche à air. Un "vent de sud-ouest" signifie que l'air est en mouvement du sud-ouest vers le nord-est.
La vitesse : mesurée à l'aide d'un anémomètre, elle s'exprime en mètre par seconde (m.s-1), en kilomètre par heure (km.h-1) ou en noeud (kt). 1 ms-1 équivaut à 3,6 km.h-1 et environ 2 noeuds (1 vitesse de 1 noeud correspond à une distance de 1 mille nautique parcouru en 1 heure, soit 1,852 km.h-1). Dans les stations météorologiques, l'anémomètre est fixé au sommet d'un pylone, à 10 m au dessus du sol, dans un lieu dégagé, pour éviter les turbulences induites par divers obstacles (arbres, bâtiments...). Sont mesurées : la vitesse (moyennée sur les 10 minutes précédant l'instant d'observation) et la vitesse instantanée (moyennée sur une durée de 0,5 s). Cette dernière fluctue au gré des tourbillons générés par la turbulence de l'air et c'est pourquoi on note la vitesse maximale instantanée observée au cours des 10 minutes qui précèdent l'heure d'observation, de même que les maxima observés pendant l'heure ou la journée.
L'échelle Beaufort, utilisée en météorologie marine, classe les vents en fonction de leur vitesse et des effets qu'ils génèrent sur l'état de la mer, d'où le terme de "force". A titre d'exemple, un vent de force 3 cSur les cartes météorologiques, la direction et la vitesse du vent sont représentés par des symboles spécifiques. La direction du vent est indiquée par une flèche orientée de la direction d'où souffle le vent vers le centre du cercle. Sur la figure ci-contre, le vent est indiqué soufflant d'ouest (excepté pour le vent calme qui n'a pas de direction, par définition). La vitesse du vent est indiquée en queue de flèche par des barbules (10 noeuds), des demi-barbules (5 noeuds) ou des flammes pleines (50 noeuds).orrespond à une vitesse du vent comprise entre 12 et 19 km.h-1.
Quelques éléments de dynamique des masses d'air :
Les mouvements de l'air s'exercent essentiellement selon l'horizontale, avec des vitesses qui peuvent atteindre plusieurs dizaines de m.s-1. Selon la verticale, les mouvements sont en règle générale beaucoup moins rapides, à l'exception de situations très perturbées (orages...). La plupart des modèles d' anémomètres ne mesurent que la composante horizontale de la vitesse du vent.
Le mouvement horizontal de l'air a pour origine les variations de la pression atmosphérique que l'on peut exprimer en un point sous la forme du gradient horizontal de pression (le gradient de pression représente la variation de pression par unité de distance dans la direction de plus forte variation : par exemple, 0,05 hPa.km-1 vers le sud ; le vent est d'autant plus fort que la valeur du gradient de pression est élevée). Cependant, un autre facteur intervient : la rotation de la Terre qui a pour effet de dévier le vent vers la droite de son propre mouvement dans l'hémisphère nord (vers la gauche dans l'hémisphère sud).
La combinaison des effets des variations de pression et de la rotation de la Terre amène l'écoulement atmosphérique à s'approcher d'un équilibre : L'équilibre "géostrophique". D'un point de vue pratique, on constate que très souvent, le vent réel est très proche du vent géostrophique et répond aux critères suivants :
En altitude :
La direction du vent est tangente aux isohypses
La vitesse du vent est inversement proportionnelle à l'écartement des isohypses
Le vent laisse les centres de basse pression sur sa gauche et les centres de haute pression sur sa droite dans l'hémisphère nord (c'est le contraire dans l'hémisphère sud).
A proximité du sol : Les frottements liés à la rugosité du sol (ou de la mer) contribuent à modifier les règles précédentes :
par rapport au vent géostrophique, il y a déviation du vent vers les basses pressions.
Quelques valeurs extrêmes :
Vent horizontal: la valeur maximale enregistrée (vent instantané) pour un vent de surface est de 416 km.h-1 à la station de Peak Gust au sommet du mont Washington (Etats Unis). Mais les courants jets (Jet streams) atteignent fréquement en haute altitude, des vitesses de 300 à 400 km.h-1. Une valeur exceptionnelle de 529 km.h-1 à 8000 m d'altitude, a été relevée au dessus de Brest le 27 décembre 1999 !!). Sous nos latitudes, lors des tempêtes, les vents peuvent dépasser 150 km.h-1 sur le littoral et même, plus rarement, à l'intérieur des terres.
Vent vertical: les mouvements verticaux sont la plupart du temps beaucoup moins rapides que les mouvements horizontaux (environ 100 fois moins). Il peuvent toutefois ponctuellement donner naissance (dans les nuages d'orage, par exemple) à des ascendances de l'ordre de plusieurs dizaines de km.h-1.
Les transformations atmosphériques
En météorologie, deux types de transformations importantes sont susceptibles d'affecter une "particule d'air":
Les transformations isobares: Ce sont des transformations qui s'effectuent sans qu'il y ait variation de la pression au sein de la particule d'air. Par exemple, au cours d'une période anticyclonique, la pression atmosphérique varie peu, et il est courant d'avoir un ensoleillement diurne élevé entraînant des variations de température importantes sur la journée. On considère alors que la particule d'air subit des transformations isobares.
A titre d'exemple, un refroidissement isobare au lever du jour peut entrainer la formation de brume ou de brouillard à proximité du sol, si la température descend en dessous de la température du point de rosée.
Les transformations adiabatiques: Ce sont des transformations au cours desquelles la particule d'air n'échange pas de chaleur avec l'extérieur (il convient de souligner ici que l'air est un mauvais conducteur thermique) . On rencontre ce type de transformation lorsque la particule d'air subit une détente (diminution de pression, observable par exemple au cours d'un mouvement ascendant) ou une compression. Au cours d'une transformation adiabatique d'air sec, il y a refroidissement s'il y a détente et augmentation de la température s'il y a compression. Pour l'air humide, tant qu'il n'y a pas saturation, les phénomènes sont proches de ceux qu'on observe avec l'air sec. Par contre, pour l'air saturé, il faut prendre en compte les variations de température induites par les changements d'état éventuels de l'eau. La détente adiabatique est un facteur important de formation des nuages.