ASCENDANCE, météorologie

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Le déclenchement de la convection

Plusieurs processus permettent de fournir à certaines parcelles d’air une impulsion suffisante pour déclencher l’instabilité convective.

Formation des nuages convectifs

Dessin : Formation des nuages convectifs

La courbe rouge représente les températures mesurées dans l'environnement. La courbe verte représente la température théorique des parcelles d'air ascendant. La rupture de continuité du tracé correspond au niveau de condensation, niveau à partir duquel les nuages se forment. La... 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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S'il est réchauffé par une source de chaleur extérieure, l'air se dilate, devient plus léger que son environnement et monte spontanément : on parle alors de « convection libre » ou encore de « convection naturelle ». L'air peut aussi monter lorsqu’il rencontre un relief, une barrière montagneuse, la surface d'un front chaud ou froid, ou encore s’il se trouve dans une région de convergence des vents de surface ou sous une région de divergence des vents d’altitude. Dans ces cas, l’origine du soulèvement initial est de nature dynamique et agit par transformation de mouvement horizontal en mouvement vertical : on parle alors de « convection forcée ».

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 alors déplacés jusqu'à une plus haute altitude. Au-dessous de 0°0C, la congélation dégage un supplément de chaleur et peut suffire à accroître encore le développement vertical des nuages formés.

Pygargue à tête blanche

Photographie : Pygargue à tête blanche

Tel ce pygargue à tête blanche (Haliaeetus leucocephalus) d'Alaska, les oiseaux, mais aussi les parapentistes ou les pilotes de planeur, profitent de la présence des cheminées ascendantes d'air chaud pour rester en l'air, parfois pendant des heures. Ces ascendances, souvent relativement... 

Crédits : FloridaStock/ Shutterstock

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Les brises représentent un autre type de convection thermique. Elles se développent parfois dans des régions où existent des changements importants de nature de la surface : sol-surface d'eau, couverture végétale-sol nu, versant ensoleillé-versant à l'ombre, etc. Les plus connues sont les brises de mer et les brises de terre qui soufflent sur les régions côtières, les brises de lac, les brises de montagne ou de vallée. Pendant une journée ensoleillée, l'échauffement solaire provoque une différence de température entre les surfaces de natures différentes. L’air situé au-dessus de la surface la plus chaude devient moins dense que celui qui se trouve au-dessus de la surface plus froide et monte sous l’effet de la poussée d’Archimède. En absence de rayonnement solaire, la nuit par exemple, des ascendances auront plutôt tendance à se développer au-dessus des surfaces qui rayonnent le moins d’énergie et perdent le moins rapidement une partie de leur chaleur.

La convection forcée

Dans une atmosphère en instabilité convective conditionnelle, le soulèvement provoqué par un forçage dynamique peut être suffisant pour déclencher cette instabilité et donner naissance à des nuages convectifs développés. Le repérage des zones de possible forçage est souvent utile pour surveiller les situations à risque.

La présence près du sol de zones de convergence des vents est un élément qui peut forcer l’air à monter. Ainsi, les circulations de grande échelle engendrent parfois des ascendances qui couvrent de vastes régions et qui perdurent plusieurs dizaines d'heures. À plus petite échelle, des convergences peuvent apparaître dans les resserrements entre deux reliefs importants (cols, vallées, passages entre deux îles proches, etc.) ou dans les régions de forte variation de la rugosité du sol (régions côtières, orées des bois, etc.). Ainsi, lorsque de l'air marin est freiné dans sa course en arrivant sur la côte, il est rattrapé et poussé par l'air qui le suit, créant ainsi des conditions propices au soulèvement vertical de l'air et à la formation des nuages sur les régions côtières.

Le cas le plus classique de convection forcée est illustré par les soulèvements d'air provoqués par les reliefs, on parle alors de « forçage orographique ». Lorsque le vent rencontre une colline, une montagne ou un massif montagneux, il peut contourner l'obstacle ou bien passer par-dessus. Le choix dépend à la fois de la largeur et de la hauteur de l'obstacle à franchir ainsi que de la stabilité de l'air. Si tout ou partie de l'air parvient à passer par-dessus, des nuages peuvent se former. Leur forme dépend à la fois de la hauteur du soulèvement, de l'altitude du niveau de condensation et de la stabilité de l'air.

À l’inverse, la dépression, qui apparaît sous le vent de l’obstacle, crée un appel d’air qui, si le vent est suffisamment fort, peut se répercuter jusqu’aux plus hautes couches de la tropo [...]

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Les différents états d’équilibre

Les différents états d’équilibre
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Nuage : altocumulus lenticularis

Nuage : altocumulus lenticularis
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Nuages : altocumulus lenticularis en forme de tubes

Nuages : altocumulus lenticularis en forme de tubes
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Nuages : cumulus mediocris

Nuages : cumulus mediocris
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Jean-Pierre CHALON, « ASCENDANCE, météorologie », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 26 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/ascendance-meteorologie/