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ATMOSPHÈRE Thermodynamique

Les transferts de chaleur par convection thermique : cellules convectives

Une fois le niveau (ou altitude) de convection libre atteint, les parcelles subissent une poussée vers le haut proportionnelle à l’écart qui existe entre leur température interne et celle du milieu environnant (voir équation 3). Leur vitesse verticale w augmente et elles accumulent de l’énergie cinétique (Ec = ½m.w2), jusqu’à rencontrer une altitude à partir de laquelle leur température devient inférieure à celle de l’environnement. La poussée s’exerçant alors vers le bas, elles perdent de l’énergie cinétique. Leur vitesse verticale diminue jusqu’à devenir nulle, marquant ainsi le sommet de la convection et celui des nuages qui pourraient y être associés.

Le déplacement des parcelles entraîne une légère dépression dans les régions quittées et une surpression dans les régions traversées où elles repoussent l’air qui se trouve sur leur passage. Une subsidence se met aussitôt en place dans le milieu environnant pour tenter de rétablir l’équilibre. Dans ce mouvement compensatoire, sa température suivant plus ou moins un gradient adiabatique sec, l’air se réchauffe plus rapidement que son environnement, si bien que la poussée d’Archimède augmente et tend à s’opposer au forçage dynamique. De telles subsidences compensatoires sont ainsi beaucoup plus lentes et donc beaucoup plus étendues que les mouvements ascendants. Des descentes d’air suivant plus ou moins un gradient pseudo-adiabatique saturé, peuvent toutefois être observées au sein de précipitations importantes et plus particulièrement d’averses. L’air, refroidi par évaporation d’une partie des précipitations, devient alors plus dense et se précipite vers le sol où il peut s’étaler sous forme d’un « courant de densité », à l’exemple des coups de vent froid accompagnant fréquemment les orages.

On appelle cellule convective l’ensemble composé d’une ascendance, de la subsidence et des précipitations éventuellement associées. Les cellules convectives ont pour fonction première de brasser l’atmosphère et de réduire l’instabilité convective qui leur a donné naissance.

La convection naturelle ou libre

Cellules de convection de Bénard - crédits : Encyclopædia Universalis France

Cellules de convection de Bénard

La convection libre se développe dans un fluide dont certaines parcelles sont potentiellement plus légères que celles situées au-dessus, ce qui se produit, entre autres, lorsqu’un fluide est suffisamment réchauffé par le bas ou refroidi par le haut. Les cellules dites de Bénard formant horizontalement des figures polygonales, observables lorsqu’on fait chauffer de l’eau dans une casserole ou sur les champs de nuages vus à partir d'un avion ou sur les photos transmises par satellites, en sont un bon exemple.

Dans l’atmosphère, la convection libre démarre le plus souvent au voisinage de zones où le contraste thermique est fort du fait de différences importantes dans certaines caractéristiques du sol : capacité et conductivité thermiques, couleur, contenu en eau, végétation, rugosité… 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, qui peuvent monter jusqu’à 1 ou 2 kilomètres de hauteur, ont généralement un diamètre de quelques centaines de mètres et des vitesses verticales qui avoisinent 2 mètres par seconde.

Formation des nuages convectifs - crédits : Encyclopædia Universalis France

Formation des nuages convectifs

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 des parcelles. La couche d'arrêt et le sommet des cumulus sont alors déplacés jusqu'à une plus haute altitude. En dessous de 0 [...]

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Médias

Structure verticale de l’atmosphère - crédits : Encyclopædia Universalis France

Structure verticale de l’atmosphère

Diagramme des états de l’eau - crédits : Encyclopædia Universalis France

Diagramme des états de l’eau

Échanges d’énergie associés aux changements d’état de l’eau - crédits : Encyclopædia Universalis France

Échanges d’énergie associés aux changements d’état de l’eau

Autres références

  • ACCÉLÉROMÈTRES SPATIAUX

    • Écrit par Raphaël F. GARCIA, Pierre TOUBOUL
    • 4 883 mots
    • 3 médias
    ...du sol à la frontière entre l'atmosphère et l'espace. En effet, comme le gradiomètre permet de mesurer les accélérations ressenties par le satellite, il est sensible aux variations de densité de l'air ainsi qu'aux déplacements des couches atmosphériques qui exercent une pression sur le satellite....
  • AÉRONOMIE

    • Écrit par Gaston KOCKARTS
    • 4 157 mots
    • 11 médias

    L' aéronomie a pour objet l'étude des régions atmosphériques où les phénomènes de dissociations moléculaires et d'ionisation sont importants. Cette définition s'applique aussi bien à l'atmosphère terrestre qu'aux atmosphères planétaires. Le mot aéronomie fut imaginé par Sidney Chapman (1888-1970) et...

  • AIR

    • Écrit par Jean PERROTEY
    • 2 154 mots
    • 2 médias

    Le globe terrestre est entouré d'une atmosphère constituée d'un mélange gazeux nommé air, qui s'étend de la surface du sol jusqu'à une altitude d'environ 150 kilomètres.

    La pression de l'air au niveau de la mer a longtemps servi d'unité de pression (atmosphère) ; elle...

  • ANTARCTIQUE

    • Écrit par Pierre CARRIÈRE, Edmond JOUVE, Jean JOUZEL, Gérard JUGIE, Claude LORIUS
    • 16 481 mots
    • 24 médias
    ...la circulation atmosphérique. Enfin, on a observé pour la première fois une corrélation directe entre l'évolution de la température et la teneur de l' atmosphère en gaz carbonique, les périodes les plus chaudes étant associées à des teneurs plus élevées et vice versa. En ce qui concerne l'époque récente,...
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Voir aussi