la pression atmosphérique et l’origine des vents
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2011 Formation en météorologie. La pression atmosphérique et l’origine des vents. Références principales : Malardel 2009, Fondamentaux de Météorologie, ch 2 et 3 Ahrens 2009, Meteorology Today , pp. 193-205. Le concept de la pression et température. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
LA PRESSION ATMOSPHÉRIQUE ET
L’ORIGINE DES VENTS
2011 Formation en météorologie
Références principales : Malardel 2009, Fondamentaux de Météorologie, ch 2 et 3Ahrens 2009, Meteorology Today, pp. 193-205
Le concept de la pression et température
Niveau moléculaire : force, par unité de surface, qu’un gaz exerce contre une surface en vertu des collisions aléatoires de ses molécules
Cette force est la même dans toutes les directions puisque les trajectoires des molécules sont aléatoires : toute collision contre une surface donnée peut se faire dans toute les directions possibles
Comme la pression, la température est reliée aux mouvements moléculaires, mais ici on parle de l’énergie de mouvement moyen des molécules sans regard aux collisions éventuelles contre une surface
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Le concept de la pression Si on augmente la vitesse des molécules en
augmentant la température, on pourrait croire que la pression augmentera puisque les collisions seront plus violentes.
Oui en partie, mais pas si on diminue la densité du gaz en question :
Un gaz chaud mais peu dense peut donc exercer la même pression sur une surface que s’il était froid et dense
Dans le premier cas, on a des molécules en moins grand nombre mais plus rapides, dans le second cas des molécules moins rapides mais plus nombreuses. Dans les deux cas, on a la même force moyenne due aux collisions, et donc la même pression.
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La loi des gaz parfaits
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La pression, la température et la densité ou masse volumique d’un gaz comme l’air au températures et pressions caractéristiques de notre atmosphère sont en tout temps reliées entre elles par la loi des gaz parfaits :
p R T
::::
p
RT
pression
Densité ou masse volumique
constante spécifique de l’air
température
En plus d’obéir à la loi des gaz parfaits, l’air de l’atmosphère terrestre subit une autre contrainte fondamentale : la gravité, qui attire l’air irrémédiablement vers le sol.
La présence de la gravité
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Pourquoi alors l’atmosphère ne s’effondre-t-elle pas complètement au sol, à nos pieds ?
L’atmosphère ajuste localement sa pression afin de soutenir son propre poids○ L’air au bas d’une colonne subit le maximum de poids de l’air au-dessus de
celui-ci et donc doit avoir le maximum de pression pour soutenir ce poids○ L’air, disons, au milieu de la colonne n’a pas autant de poids à supporter
contre la gravité (puisqu’il y a moins de masse au-dessus), et donc affichera une moins grande pression
○ Dans les deux cas, il s’établit un équilibre entre la force de gravité qui pousse l’air vers le bas et la pression locale qui le pousse vers le haut : l’équilibre hydrostatique
○ C’est pourquoi la pression barométrique à un niveau donné est définie comme étant égale au poids de la colonne d’air au-dessus de ce niveau
○ À un emplacement donné , la pression barométrique diminue toujours avec la hauteur, puisque le poids à soutenir est toujours plus faible en altitude que près du sol
Variation de la pression barométrique avec la hauteur
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Comment mesure-t-on la pression barométrique ? L’instrument standard servant à
mesurer la pression atmosphérique est le baromètre à mercure.
L’unité SI de pression atmosphérique est le pascal (Pa – force de 1 newton/m2)
Sur les cartes météorologiques, on utilise l’hectopascal (hPa), ou 100 newtons/m2
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Comment mesure-t-on la pression barométrique ?
Le poids de la colonne de mercure vers le bas égalise celui de la colonne d’air qui la force vers le haut. La hauteur de la colonne de mercure à l’équilibre est donc une mesure de la pression atmosphérique.
Une hauteur de mercure de 76 cm représente la pression atmosphérique standard, qui équivaut à 1013,25 hPa.
Si la pression atmosphérique augmente, celle-ci poussera davantage sur la surface de mercure contenu dans la cuvette, ce qui fera monter la hauteur de la colonne de mercure. L’inverse se produit lorsque la pression atmosphérique diminue.
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Il faut tout ramener au même niveau !
Cette hauteur standard est le niveau moyen de la mer.
La correction appliquée est de l’ordre de 10 hPa / 100 mètres de dénivellation (à température standard).
Le résultat est une carte de la pression au niveau de la mer, et les lignes reliant les points ayant les mêmes valeurs de pression sont appelées des isobares.
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L’origine du vent Le vent est le mouvement macroscopique de l’air dans
une direction donnée Le vent, une fois créé, peut subir plusieurs forces qui
l’influencent en grandeur et direction Mais l’origine du vent est unique :
C’est la différence de pression entre deux parcelles d’air qui force l’air de la parcelle ayant la plus grande pression à se mouvoir spontanément vers la parcelle ayant la pression la moins grande.
Cette différence de pression se nomme aussi gradient de pression Cette force génératrice du vent s’appelle : force du
gradient de pression L’air se déplace toujours (au départ) d’une région de
haute pression vers une région de basse pression C’est là encore la conséquence des mouvements aléatoires des
molécules de l’air !
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Comment crée-t-on des gradients de pression ? Nous nous attarderons à la création des vents horizontaux
Les vents verticaux sont toujours très faibles car la gravité s’oppose toujours et annule presque complètement vers le bas le gradient vertical de pression vers le haut
Pour générer un vent horizontal, il faut créer un gradient de pression horizontal C’est dans ce contexte que l’on parle des régions de hautes et basses
pression : différences de pression dans un même plan horizontal Puisque nous avons vu que la pression à un niveau donné est le
poids de l’air au-dessus de ce niveau, il suffit, pour changer cette pression, de faire varier le poids (ou la masse) de l’air au-dessus de ce niveau.
Nous verrons que la nature a un moyen fabuleux d’accomplir cette tâche : il suffit de faire varier la température de l’air !
Ce concept peut être illustré par l’exemple qui suit : la circulation thermique
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Pour illustrer le concept de circulation thermique, considérons une colonne d’air enfermée dans un cylindre imaginaire
Les points représentent des molécules individuelles
La densité est constante partout
Supposons, dans un premier temps, que l’air ne que se dilater vers le haut
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La circulation thermique En (a) : deux colonnes d’air de masse identique, donc même
pression en surface
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La circulation thermique En (b) : on refroidit la colonne 1, on réchauffe la colonne 2.
La colonne 1 se contracte, la colonne 2 prend de l’expansion, mais la pression en surface n’a toujours pas changé !
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La circulation thermique En (c), la pression au niveau H de la colonne 2 est supérieure que celle au niveau L
de la colonne 1… pourquoi ? Il y a plus d’air au-dessus de H qu’au dessus de L ! La pression est donc plus grande à H qu’à L, c’est-à-dire un gradient horizontal de
pression de L à H (direction dans laquelle la pression augmente) La différence de pression de L à H crée un vent de H à L puisque la pression en H est
supérieure à la pression en L
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La circulation thermique Ensuite:
La pression chute en surface dans la colonne 2, et augmente en surface dans la colonne 1, ce qui crée un vent en surface de la colonne 1 vers la colonne 2.
Une convergence dans le haut de la colonne 1 force un mouvement descendant dans celle-ci, et une divergence dans le haut de la colonne 2 force un mouvement ascendant dans celle-ci.
Résultat : une circulation en boucle dans le plan vertical entre les deux colonnes
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H L
La circulation thermique, c’est donc :
Une combinaison de réchauffement et de refroidissement de l’air causant des variations horizontales de pression en altitude et au sol
Ces variations de pression forcent l’air à se déplacer des régions de haute pression vers celles de basse pression.
Ces vents horizontaux sont accompagnés d’ascendance au-dessus des basses pressions en surface et de subsidence au-dessus des hautes pressions en surface.
Les régions d’ascension sont presque toujours associées à des nuages/précipitations, et les régions subsidentes à des régions claires, sans nuages (beau temps).
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En résumé…
Le vent provient des variations horizontales de la pression atmosphérique (ou barométrique) à un niveau donné
Ces variations de pression sont dues aux variations horizontales de température
Température et pression atmosphériques sont donc intimement reliées dans ce ballet aérien qu’est la circulation thermique
Un exemple réel de ce type de circulation est la brise de mer
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• La brise de mer/lac est un vent local dont l’échelle spatiale est de quelques dizaines de kilomètre. En Basse-Côte-Nord, elle peut être ressentie jusqu'à une vingtaine de km au large et peut atteindre 50
km/h.
La brise de mer/lac
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JOUR
NUIT
Terre (18 °C) Mer (18 °C)• Soient des conditions isothermes et isobares à la surface, tôt un matin, par vent calme.
Vue en coupe verticale
Terre (27 °C) Mer (18 °C)
Le soleil réchauffe la terre
925 hPa
950 hPa
975 hPa
• Quelques heures plus tard la température de la terre augmente tandis que celle de l'eau demeure à peu près constante grâce à la grande capacité calorifique de l'eau.
Terre (27 °C) Mer (18 °C)
La terre réchauffe l'air au-dessus
925 hPa
950 hPa
975 hPa
• L'air n'est pas réchauffé directement par le soleil mais plutôt indirectement par la surface. Donc au-dessus de la terre l'air est plus chaud qu'au-dessus de l'eau. Ce réchauffement peut affecter typiquement une couche de 1000 à 1500 m d'épaisseur.
Vue en coupe verticale
La brise de mer/lac
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Vue en coupe verticale
Terre (27 °C) Mer (18 °C)
Le réchauffement fait dilater l'air sur la terre
925 hPa
950 hPa
975 hPa
• Puisque l'air chaud est moins dense, l'air au-dessus de la terre se dilate à partir du sol. Cela provoque une augmentation de la distance entre les surfaces de pression. Au-dessus de l'eau où l'air est très peu réchauffé la distance entre les surfaces de pression reste la même.
La brise de mer/lac
Terre (27 °C) Mer (18 °C)
Un flux s'établit en altitude de la terre vers la mer
925 hPa
950 hPa
975 hPa
H D• Une zone de haute pression se développe
en altitude au-dessus de la terre et par conséquent, une dépression au-dessus de la mer en ressort. Un flux d'air s'établit en altitude de la terre vers la mer à cause de ce gradient de pression.
Vue en coupe verticale
Vue en coupe verticale
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Terre (27 °C) Mer (18 °C)
La pression au sol diminue en réponse à l'écoulement en altitude
925 hPa
950 hPa
975 hPa
H D
HD
• En réponse à l'écoulement en altitude, une dépression se développe en surface sur la terre et une haute pression sur la mer.
La brise de mer/lac
Terre (27 °C) Mer (18 °C)
Un déplacement d'air s'établit de la mer vers la terre en réponse à la différence de pression
925 hPa
950 hPa
975 hPa
H D
HD
• Un déplacement d'air plus frais s'établit de la mer vers la terre à cause de ce gradient de pression.
Vue en coupe verticale
Vue en coupe verticale
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Terre (27 °C) Mer (18 °C)
L'air additionné à la surface se soulève pour remplacer l'air enlevé en altitude
925 hPa
950 hPa
975 hPa
H D
HD
L'air additionné en altitude descend pour remplacer l'air enlevé à la surface
• Des mouvements verticaux s'établissent aussi en réponse aux écoulements horizontaux de l'air ce qui complète la circulation de la brise de mer.
La brise de mer/lac
Vue en coupe verticale
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Ch8-24
Résumé
La pression atmosphérique est la pression exercée par la masse d’air au dessus du point de mesure.
À un endroit donné, la pression atmosphérique change parce que la masse de la colonne d’air de surface = 1 m2 , au dessus de l’endroit, a changé.
Le réchauffement ou le refroidissement d’une colonne d’air au dessus d’un endroit donné peut établir des variations de pression sur une surface de hauteur constante au dessus de la surface.
Ch8-25
Résumé
Les différences de pression sur un plan horizontale créent le mouvement horizontal de l’air : le vent.
La force du gradient de pression est due aux variations spatiales de pression : Dirigée perpendiculairement aux isobares et toujours dirigée des hautes
vers les basses pressions. Proportionnelle au gradient de pression (variation de la pression entre deux
points divisée par la distance entre ces deux points). Est la force qui cause le mouvement de l’air.
Cartes météorologiques
Cartes de surface (pression au niveau de la mer)
Cartes d’altitude (cartes isobariques)
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Les cartes de la pression au niveau moyen de la mer (PNM)
Les stations météorologiques rapportent à chaque heure la pression au niveau de la mer.
Lorsque ces valeurs sont pointées sur une carte, il est nécessaire de tracer des lignes reliant les mêmes valeurs, afin de mieux visualiser la structure spatiale de la pression
Ces lignes sont des isobares.
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Une carte de PNM Les « L » : centre de basses
pressions – région où on observe un minimum relatif de pression
Les « H » : centres de hautes pressions - région où on observe un maximum relatif de la pression
Il y a plus de masse d’air (plus de poids) au-dessus des « H » qu’au-dessus des « L ».
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Les cartes de la pression en altitude (cartes isobariques)
En altitude, les cartes représentent la pression d’une manière non-intuitive, en affichant la hauteur à laquelle une pression donnée est présente, et non la pression pour une hauteur donnée.
Cela donne des cartes à pression constante ou cartes isobariques
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À gauche : une carte de PNM en surface pour situation météo hypothétique
À droite: la même situation en altitude telle qu’illustrée par une carte isobarique de 500 hPa.
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RIDGE = CRÊTETROUGH = CREUX
Discussion
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«La pression atmosphérique normale, établie à 101,3 kPa, est une estimation de la pression moyenne des masses d’air, mesurée au niveau de la mer des régions tempérées. Une pression inférieure à 101,3 kPa est considérée comme une basse pression, alors qu’une pression supérieure à 101,3 kPa est considérée comme une haute pression.» Synergie, page 256.
Pression en hPa
Carte de pression au niveau moyen de la mer
Discussion
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Synergie : section 2.4.1, page 256, paragraphe 2
«La pression atmosphérique varie également en fonction de la température de l’air. En effet, l’air chaud est moins dense que l’air froid. Ainsi une couche d’air chaud de même épaisseur qu’une couche d’air froid exercera une pression moindre.»
Voir aussi figure 34, Synergie, page 256
Discussion
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Observatoire : page 224Texte correct
Attention à la légende de la figure 7.3 : «Plus y a des particules d’air, plus la pression est grande, car plus il y a des collisions entre les particules.»
VnM
VmRTp ,
densitémasse Nombre de moles
Masse molaire de l’air
Volume
TempératureConstante spécifique de l’air
pression