ASCENDANCE, météorologie

La convection naturelle ou convection libre

Si la pellicule d'air qui recouvre le sol est plus froide que ce dernier, elle s'échauffe par conduction. Les molécules d'air gagnent alors de l'énergie et s'agitent plus rapidement. Lorsqu'elles entrent en collision avec d'autres molécules d'air, elles leur transmettent une partie de cette énergie et réchauffent ainsi les couches situées au-dessus. Mais l'air est un mauvais conducteur de chaleur, ce mécanisme est donc lent et pourrait ne pas avoir d'effet au-delà de quelques centimètres au-dessus du sol. C’est alors que la convection prend le relais. Comme l'air réchauffé se détend rapidement pour occuper plus de volume, il devient moins dense que l'air qui l'entoure. Répondant à la poussée d'Archimède, il monte et de l'air plus dense descend pour le remplacer. L'accélération verticale qui résulte d'un écart de température de 1 ⁰C, maintenu pendant plusieurs minutes, suffit à créer une augmentation de la vitesse verticale de plusieurs mètres par seconde. Une circulation se met ainsi en place et permet à la fois le réchauffement des couches supérieures et le refroidissement des couches les plus basses.

Ce type de circulation se développe chaque fois qu'un fluide est réchauffé par le bas ou refroidi par le haut. Les « cellules de Bénard » qui se répartissent horizontalement en figures polygonales lorsqu’on fait chauffer de l’eau dans une casserole en sont un bon exemple. Dans cet exemple, les ascendances sont toujours situées au centre des cellules et les subsidences à la périphérie, alors que dans l’atmosphère on rencontre aussi bien des ascendances centrales que des ascendances périphériques. On peut fréquemment voir de telles organisations en observant les champs de nuages à partir d'un avion ou sur des photos transmises par les satellites météorologiques.

La convection libre est fréquemment observée les jours de beau temps, lorsque le rayonnement solaire traverse facilement l'atmosphère et réchauffe abondamment la surface terrestre. On peut aussi en observer la nuit, ou les jours de mauvais temps, lorsque de l'air froid arrive sur une surface plus chaude. Si le réchauffement et l'humidité de l'air sont insuffisants, il n'y a pas de nuages, mais on peut néanmoins deviner la position des cheminées ascendantes, ou « thermiques », en observant les oiseaux ou les planeurs qui profitent de leur présence pour rester en l'air, parfois pendant plusieurs heures. Ces ascendances ont le plus souvent un diamètre de quelques centaines de mètres et des vitesses verticales qui avoisinent deux mètres par seconde. Suivant la situation, leur sommet peut monter jusqu’à un ou deux kilomètres de hauteur. Si l'air est suffisamment humide pour atteindre son niveau de saturation pendant l'ascension, on observe de petits cumulus au sommet des cheminées thermiques. La condensation de l'eau renforce la convection en réchauffant l'air ascendant. La couche d'arrêt et le sommet des cumulus sont[...]