HUMIDITÉ

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Vapeur d’eau atmosphérique

Vapeur d’eau atmosphérique
Crédits : Satellite and Information Service - NESDIS/ NOAA

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Humidité atmosphérique

Humidité atmosphérique
Crédits : K. Sutyagin/ Shutterstock

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Psychromètre, mesure du taux d’humidité de l’air 

Psychromètre, mesure du taux d’humidité de l’air 
Crédits : G. Lachaud/ Météo-France

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L’air est un mélange de gaz qui contient de la vapeur d’eau en quantité très variable dans l’espace et dans le temps. Alors qu’un linge, un mur ou un sol sont dits humides lorsqu’ils sont imbibés d’eau liquide, l’humidité de l’air ne fait référence qu’à la proportion de vapeur d’eau qu’il contient. Cette donnée est très utile en météorologie parce qu’elle détermine l’aptitude de l’atmosphère à produire ou non des nuages, des orages et des précipitations. La vapeur d’eau est un gaz invisible qui participe directement au cycle planétaire de l’eau (évaporation, transport, condensation, précipitation, ruissellement…), sans lequel la Terre serait une planète sèche et aride. Avec les nuages, la vapeur d’eau contribue à plus de 70 p. 100 de l'effet de serre, sans lequel la Terre serait une planète gelée. Mais la vapeur d’eau joue aussi un rôle amplificateur du changement climatique. En effet, une atmosphère plus chaude pouvant contenir plus de vapeur d’eau, l’effet de serre s’en trouve nettement renforcé, une donnée qui est sérieusement prise en compte dans les modèles de projections climatiques.

La couche hydrique atmosphérique

Entièrement condensée et répandue sur la surface du globe, la vapeur d’eau contenue dans l’atmosphère composerait une couche d’eau liquide de 24 millimètres d’épaisseur, ce qui représente un volume d’environ 12 000 kilomètres cubes, soit un cent millième de la quantité d’eau de notre planète. Cette quantité peut paraître faible, mais elle est sans cesse renouvelée. Elle provient de l’évaporation des surfaces humides et de l’évapotranspiration des végétaux ; de ce fait, elle est plus abondante au voisinage des océans, des lacs, des rivières, des glaciers, des marécages, des forêts et des surfaces récemment arrosées qu’à celui des régions désertiques ou en altitude.

Le vent, la turbulence et les courants ascendants associés aux nuages et aux dépressions, transportent ensuite une partie de cette vapeur. Si bien que la quasi-totalité de la vapeur d’eau atmosphérique se trouve dans la troposphère, couche de brassage important située entre le sol et une altitude qui atteint de 16 à 18 kilomètres dans les régions équatoriales et ne dépasse pas de 5 à 6 kilomètres dans les régions polaires.

La vapeur d’eau atmosphérique est ensuite éliminée par condensation lors de la formation de brouillards, de nuages et de précipitations qui ramènent vers la surface terrestre les molécules d’eau rassemblées sous forme de gouttes de rosée, de bruine ou de pluie, de flocons de neige, de grésil ou de grêle. Ainsi, en moyenne, les molécules de vapeur d’eau ne séjournent pas plus d’une dizaine de jours dans l’atmosphère.

Vapeur d’eau atmosphérique

Vapeur d’eau atmosphérique

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Cette image montre les quantités de vapeur d'eau déduites des mesures d'absorption du rayonnement infrarouge de fréquences comprises entre 5,80 et 7,23 micromètres, réalisées à partir d'un radiomètre installé sur le satellite Météosat 3, le 21 avril 1989 à 05 h 30 UTC. Les zones... 

Crédits : Satellite and Information Service - NESDIS/ NOAA

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Représentation de l’humidité de l’air

Il existe plusieurs façons de représenter l’humidité d’un volume d’air : son humidité absolue, son humidité spécifique, son rapport de mélange, sa pression partielle, son humidité relative.

L’humidité absolue est la masse volumique de la vapeur, ou encore la masse de vapeur d’eau contenue dans un volume de 1 mètre cube. La valeur maximale que peut atteindre ce paramètre est fonction de la température. Ainsi, dans l’atmosphère terrestre, les valeurs les plus fortes peuvent avoisiner 40 g/m3 en présence d’air très chaud au contact de grandes surfaces humides, alors qu’à une température inférieure à — 20 0C, elles ne dépassent pas 0,8 g/m3.

L’humidité spécifique et le rapport de mélange sont définis comme les rapports, dans un volume donné, entre la masse de vapeur d’eau et, respectivement, la masse d’air humide (incluant la vapeur d’eau) pour la première, et la masse d’air sec (excluant la vapeur d’eau) pour le second. Ces variables sont généralement exprimées en g/kg. Elles sont largement utilisées en météorologie car elles restent constantes lorsque le volume d’une masse d’air change sous l’effet des variations de température ou de pression.

La pression partielle représente la pression exercée par les molécules de vapeur d’eau dans un volume donné. Elle correspond à la contribution de la vapeur d’eau à la pression totale du mélange des gaz qui composent l’air dans ce volume. Elle est généralement exprimée en hectopascals (hPa). C’est une variable souvent utilisée pour décrire les changements d’état de l’eau (vapeur, liquide, solide). L’humidité relative représente la proportion entre le contenu en vapeur d’eau de l’air et le contenu qu’il aurait s’il était saturé à la même température. C’est la variable la plus connue pour mesurer le taux d’humidité. Elle est exprimée en pourcentage et permet de déterminer si un volume d’air humide est éloigné de sa saturation, sans avoir à connaître ni sa température ni sa pression. À titre d’exemple, on considère généralement que, à l'intérieur d'une maison, le taux d'humidité confortable se situe entre 40 et 60 p. 100. Au-dessous de ces valeurs, l’air trop sec nous dessèche et nous irrite plus particulièrement la peau, la gorge et les muqueuses du nez ; au-dessus, l’humidité favorise les moisissures et le développement d’organismes pathogènes comme les acariens ou les blattes. L’humidité relative d’un volume sans la moindre molécule de vapeur d’eau (ce qui n’existe pas dans l’atmosphère) serait de 0 p. 100, alors que celle d’un volume saturé serait de 100 p. 100. À 100 p. 100 d’humidité relative, la vapeur serait en équilibre si elle était en contact avec une surface plane infinie d’eau liquide. Lorsque ce paramètre est inférieur à 100 p. 100, la vapeur est dite sous-saturée. En présence d’une surface plane infinie d’eau liquide, ce déséquilibre se traduirait par l’évaporation d’une partie du liquide et en conséquence par une augmentation du taux d’humidité de l’air. Au contraire, lorsque l’humidité relative est supérieure à 100 p. 100, la vapeur est dite sursaturée. Dans ce cas, le déséquilibre se produirait à l’inverse par la condensation d’une partie des molécules de vapeur au bénéfice de la surface plane infinie d’eau liquide. Mais, en altitude, les molécules de vapeur d’eau ne peuvent être au contact d’aucune surface plane infinie d’eau liquide, si bien que l’humidité relative pourrait monter jusqu’à des valeurs de plus de 400 p. 100 si les poussières et autres aérosols en suspension ne servaient de supports à leur condensation sous forme de gouttelettes de brouillard ou de nuage. Ainsi, dans l’atmosphère, l’humidité relative dépasse rarement 102 p. 100 et reste toujours inférieure à 106 p. 100.

Humidité atmosphérique

Humidité atmosphérique

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Quand l'air est saturé d'humidité, l'eau condensée en microgouttelettes modifie la diffusion de la lumière, donnant ainsi une impression de halo autour des sources lumineuses. 

Crédits : K. Sutyagin/ Shutterstock

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Il convient aussi de remarquer que les contenus en vapeur d’eau permettant un équilibre de la vapeur avec une surface plane infinie de glace sont différents de ceux que nous venons de voir pour l’eau liquide, : on parle alors d’ « humidité relative par rapport à la glace ». Comme l’atmosphère est souvent pauvre en aérosols capables de servir de supports à la condensation solide à des températures supérieures à — 10 ou — 20 0C, il n’est pas rare d’observer des taux d’humidité relative par rapport à la glace supérieurs à 110 ou 120 p. 100.

Les instruments de mesure du taux d’humidité de l’air

De nombreux instruments permettent d’évaluer plus ou moins précisément le taux d’humidité de l’air. Ils peuvent être classés en quatre catégories principales. La première est fondée sur une mesure des variations de masse, de volume, d’élasticité, de résonance acoustique ou électromagnétique, de conductivité électrique, de température, de couleur ou de transparence de matériaux ayant un fort pouvoir d’absorption de la vapeur d’eau. La deuxième s’appuie sur une évaluation de la capacité de l’air ambiant à évaporer plus ou moins rapidement une quantité d’eau liquide. La troisième est chargée d’évaluer la température de saturation de la vapeur d’eau. Enfin, la quatrième catégorie est fondée sur une mesure des perturbations apportées par les molécules de vapeur d’eau à la propagation des ondes électromagnétiques.

Psychromètre, mesure du taux d’humidité de l’air 

Psychromètre, mesure du taux d’humidité de l’air 

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Le psychromètre à crécelle est doté d'une poignée qui permet de faire tourner ensemble deux thermomètres, dont de réservoir de l'un est maintenu sec alors que celui du second est entouré d'un linge humide. La rotation appliquée permet de ventiler les thermomètres. L'eau du linge... 

Crédits : G. Lachaud/ Météo-France

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Le gonflement du bois, l’allongement d’une corde ou la torsion de barbes d’épis d’avoine ont depuis longtemps été exploités comme une indication du degré d’humidité ou de sécheresse. Ainsi, vers 1450, l’Allemand Nicolas de Cues observe que le poids de la laine augmente lorsque l’air est humide et diminue lorsqu’il est sec. Il réalise alors les premières mesures d’humidité à l’aide d’une grande balance à plateaux.

Les hygromètres les plus simples fournissent la valeur de l’humidité relative à partir des variations de longueur de fils très fins, de diverses matières : coton, Nylon, baudruche (tissu membraneux provenant de l’intestin du bœuf) ou cheveux humains. Ces matériaux s’allongent lorsque l’humidité augmente et raccourcissent lorsqu’elle diminue.

Le capteur capacitif à couche mince exploite les variations de volume de certaines résines avec l’humidité. Il est composé de deux électrodes métalliques qui prennent en sandwich une lame de polymère hygroscopique pour former un condensateur. Lorsque le polymère absorbe des molécules d’eau, il grossit et écarte les électrodes, ce qui se traduit par une variation de capacité électrique, dont on déduit le taux d’humidité du milieu ambiant. Ce type de capteur est utilisé en particulier dans les stations météorologiques et dans les radiosondes installées sous des ballons météorologiques pour réaliser des mesures en altitude.

Le psychromètre est composé d’un thermomètre sec et d’un thermomètre mouillé par de l’eau contenue dans un petit réservoir. Si l’air est saturé, l’eau du réservoir ne s’évapore pas et les deux thermomètres indiquent la même température. Si l’air est sous-saturé, l’eau du réservoir s’évapore d’autant plus vite que l’air est sec, si bien que le thermomètre humide est refroidi. La différence de température enregistrée entre les deux thermomètres fournit ainsi une mesure du taux d’humidité de l’atmosphère.

Dans l’hygromètre à point de rosée, l’air ambiant est refroidi, à pression constante, afin que son humidité augmente jusqu’à la saturation et que des gouttelettes de rosée se forment. La température à laquelle ce phénomène se produit, ou température du point de rosée, est aussi la température de saturation de la vapeur d’eau contenue dans l’air. Connaissant la température ambiante, la température du point de rosée et la pression atmosphérique, il est alors facile d’en déduire le contenu en vapeur d’eau. Plusieurs instruments mettent en application ce principe en envoyant l’air échantillonné sur un miroir qui est refroidi jusqu’à ce que de la buée commence à se déposer. On enregistre alors sa température.


L’hygromètre à absorption infrarouge permet d’évaluer l’humidité absolue d’un volume d’air en mesurant le taux d'absorption d’un rayonnement électromagnétique émis à une fréquence sensible aux molécules d'eau qui entrent alors en vibration.

Le spectroradiomètre mesure les quantités de rayonnement électromagnétique absorbées ou émises par la vapeur d’eau à différentes longueurs d’onde. Installé à bord de satellites météorologiques pour observer le rayonnement émis par la Terre et par son atmosphère, il peut fournir des informations sur le profil vertical d’humidité de l’air.

Les radiomètres installés sur les satellites géostationnaires Météosat permettent ainsi d’évaluer les quantités de vapeur d'eau de la moyenne troposphère à partir des mesures d’absorption du rayonnement infrarouge de fréquences comprises entre 5,80 et 7,23 micromètres.

Les sondeurs I.A.S.I. (interféromètre atmosphérique de sondage dans l'infrarouge), installés sur les satellites défilants européens MetOp, observent le rayonnement infrarouge dans plus de 8 000 bandes de fréquence et permettent de mesurer des profils d'humidité de l’air avec une résolution verticale de 1 à 2 kilomètres et une précision de l'ordre de 10 p. 100. Ces mesures ont une performance inférieure à celles d’un radiosondage, mais présentent l’avantage de fournir des profils deux fois par jour, sur l’ensemble du globe.

Le réseau G.P.S. (global positioning system), développé pour la localisation et la navigation, est aussi utilisé pour mesurer la vapeur d’eau atmosphérique. En effet, les signaux micro-ondes émis depuis les satellites vers la Terre sont plus ou moins déviés et retardés au cours de leur trajet. Une mesure de ce retard associé à celui de la température et de la pression atmosphérique permet d’accéder à une évaluation du contenu en vapeur d’eau de l’atmosphère traversé.

—  Jean-Pierre CHALON

Bibliographie

J.-P. Chalon, Combien pèse un nuage ? Ou pourquoi les nuages ne tombent pas, 2e édition, éditions EDP Sciences, 2014

A. Fierro, Histoire de la météorologie, Denoël, 1991

C. Perrin de Brichambaut, « L'Humidité de l’air ; mesures hygrométriques au sol » in La Météorologie, 8e série, no 2, juin 1993

P. Ricaud, « Variabilités de la vapeur d’eau et de la température troposphérique au Dôme C (station Concordia), Antarctique », in La Météorologie, no 84, février 2014.

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Pour citer l’article

Jean-Pierre CHALON, « HUMIDITÉ », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 08 juillet 2019. URL : http://www.universalis.fr/encyclopedie/humidite/