Météorologie : introduction
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Introduction à la météorologie

La météorologie est une branche de la physique du globe
qui se consacre :
- à l'observation des éléments du temps (température, précipitations, vents, pression,...)
- et à la recherche des lois des mouvements de l'atmosphère


Les mesures du temps

Il y a environ 7000 stations météorologiques terrestres réparties dans tous les pays du monde
Les météorologistes ont des moyens très perfectionnés à leur disposition : observatoires terrestres, ballons sondes dans l'atmosphère, navires et bouées météorologiques,
satellites et un réseau de transmission de données, oeuvre de l'OMM (organisation météorologique mondiale)

Pour pouvoir faire des prévisions à court terme ou long terme il faut dans un 1er temps procéder à un certain nombre d'observations qui sont possibles grâce
à des instruments construits à cet effet
Certains sont réservés aux professionnels (bouées, satellites,..) mais par d'autre peuvent être accessibles à tous particuliers :
ainsi une station météo simple (que vous pouvez trouvez dans le commerce à des prix abordables) se compose des
5 éléments suivants :
- le baromètre : mesure la pression atmosphérique qui est exprimée en hecto pascals (auparavant millibars) : 1000 millibars = 1000 hecto pascals = 750 mm de mercure
- le thermomètre : permet de mesurer la température mais aussi les variations de température : notre système est celui de Celsuis où l'eau gèle à 0° et bout à 100°
(pays anglosaxon c'est le Farhenheit : congélation + 32° et point d'ébulition 212°)
- l'hygromètre : permet de mesurer l'humidité relative de l'air ambiant qui donne en pourcentage le rapport entre la quantité de vapeur d'eau effectivement absorbée par l'air et
la quantité maximalequi pourrait être absorbée à la même température
- l'anénomètre : détermine la direction et la vitesse du vent : la direction s'exprime par Nord, Sud, Sud-Ouest,..., (rose des vents) mais aussi en dégré, ains le Nord correspond
à 0° ou 360°, l'Est 90°,le Sud 180° et la force du vent est indiquée en kilomètre par heure km/h, en mètre seconde m/s en noeuds par heure knts/h ou en chiffres de 1 à 12 :
c'est l'échelle de Beaufort
- le pluviomètre : est un récipient qui mesure la quantité d'eau tombée qui doit être placé à 1,50m du sol et dégagé de tout obstacle


Les grands principes généraux

C'est dans la troposophère (du sol jusqu' à 12km d'altitude en moyenne, varie suivant que l'on se trouve à l'équateur ou aux pôles) que le temps se fabrique pour l'essentiel

Quelques notions de météorologie :

La pression

La pression de l'air sur une surface donnée est égale au poids de la colonne atmosphérique qui a pour base la surface en question et pour épaisseur la différence
entre la surface et la limite supérieure de l'atmopshère


La pression s'exprime en hectoPascal ou en millibars

Au niveau de la mer elle est en moyenne de 1013,5 hPa ou mb, à l'altitude du mont Blanc elle n'est plus que de 555 hPa et au sommet de l'Everest de 300 hPa

La pression varie également à la surface du globe et elle n'est pas ainsi toujours de 1013,5 hPa
Sa répartition peut être mise en évidence sur des cartes où sont tracées pour un niveau donné des courbes isobares (courbes qui rejoigent les points où lappression est identique)
qui mettront en évidence les anticyclones (zones de hautes pressions > à 1013 hpa au niveau de la surface terrestre ou de 1500m d'altitude)
et des dépressions (zones de basses pressions < à 1013 hPa)
En effet des cartes à différents niveaux d'altitude sont éditées

L'inégalité des pressions commande le régime des vents : en effet le vent tend à rétablir l'équilibre de la presssion en transportant de l'air des anticyclones vers les dépressions
L'écoulement de l'air n'est pas direct comme on pourrait le croire du centre anticyclonique vers le centre dépressionnaire
En fait d'une part comme la Terre tourne une force d'inertie (la force de Coriolis) agit de telle sorte que le vent respecte les conditions suivantes :
- sa direction est sensiblement parallèle aux courbes isobares
- sa force dépend du contraste entre les hautes et les basses pressions : plus la différence de pression est grande, plus le vent souffle fort et inversement
- dans l'hémisphère Nord il tourne dans le sens des aiguilles d'une montre autour des anticylones et dans le sens contre des aiguilles d'une montre pour les dépressions :
dans l'hémisphère sud c'est l'inverse

La distribution des anticyclones et des dépressions à la surface de la Terre trouve son origine dans la répartition des températures :
- les régions équatoriales et tropicales parce qu'elles reçoivent le rayonnement solaire perpendiculairement accumulent la chaleur
- les régions sptentrionnales parce que le soleil ne monte jamais au dessus de l'horizon se refroidissent
La frontière qui les séparent s'appelle le front polaire qui est nimbé d'ondulations de très grandes tailles (jusqu'à 2000km dans le sens ouest-est)
Ces ondulations s'appellent les perturbations du front polaire ou les perturbations. Elles correspondent à la nécessité d'un échange de chaleur entre les régions nord et sud

Les perturbations sont donc le résultat d'un rééquilibrage et même d'un conflit entre l'air chaud et l'air froid
Cette opposition de masses d'air de densité différentes, de teneur d'eau différentes se manifeste par la formation de système nuageux qui s'enroulent en spirales
autour des dépresssions
Il faut retenir que les perturbations se développent à l'intérieur des grands courants atmosphériques et que ceux-ci les transportent par conséquent

Le vent

Le vent subit les influences du relief atmosphérique
En effet les grandes chaines montagneuse représentent des obstacles qui modifient l'écoulement des masses d'air ainsi à l'intérieur même des régions montagneuses
les vallées canalisent une partie du volume d'air en mouvement
Si la pression commande le vent ce dernier contrarié par un obstacle provoque des modifications de la pression
Ainsi devant une chaine de montagnes l'air s'accumule créant une surpression locale derrière au contraire il existe un déficit

Les nuages

La classification des nuages comprend outre les genres (formes caractéristiques du nauge : 10 genres (voir tableau) qui s'excluent mutuellement), des espèces (14),
des variétés (9), des particularités supplémentaires (6), des nuages annexes et des nuages origines

Ainsi une infinité variété de nuages

Savoir lire les nuages revient à posséder l'une des clés de la prévision météo

Forme / Altitude nuages
Stratiformes
Cumuliformes
Autres
Etage supérieur > 5000m
Cirro stratus (Cs)
Voile, halo de 22°
ne supprime pas
les ombres portées
au sol
Cirro cumulus (Cc)
Petites billes blanches
d<1°
Cirrus (Ci)
Cheveux,
filaments blancs soyeux
Etage moyen entre 2000 et 5000m
Alto stratus (As)
Le soleil comme
à travers
un verre dépoli,
plus d'ombre
portée au sol

Nimbo stratus (Ns)

Masque le soleil,
base flou
Alto cumlulus (Ac)
Damier, mosaïque,
petites boules,
1° < d < 5°

Cumulo nimbus (Cb)

de 1000m à 12 km d'altitutude
-
Etage inférieur du sol à 2000m
Stratus (St)
Brouillard
si la base touche le sol
Cumulus
(Humilis, congestus) (Cu)
Strato cumulus (Sc)
Gallets, dalles,
rouleuax soudés
ou non,
gris d < 5°

Les précipitations

La formation de la pluie est un processus complexe : dans la grande majorité des cas c'est la neige qui apparait d'abord dans les nuages où il fait suffisamment froid
(au dessus de - 7°C)
Les flocons lorsqu'ils sont assez lourds tombent : s'ils traversent dans leur chute des couches d'air de plus en plus chaudes ils finissent par fondre et arrivent au sol en pluie
Si au contraire la température reste assez basse (inférieure à 0° ou voisine) les flocons touchent le sol

La température

Il faut distinguer entre la température de l'air et celle du sol
Avec l'altitude la température de l'air décroit dans la troposphère : la diminution est de 1°C pour 150 mètres ou de 6° tous les 1000 mètres
Ccette variation est applicable à l'atmosphère libre c'est à dire à l'écart de l'influence parasite du sol
En effet la température du sol évolue en grande partie indépendamment de celle de l'air
Le sol se réchauffe en captant le rayonnement solaire tandis que l'air y est peu sensible
De nuit le sol perd de sa chaleur accumulée en rayonnant vers l'espace
D'autres conditions particulières interviennent : l'orientation du sol par rapport aux rayons du soleil, sa nature, sa couleur, l'humidité de l'air, sa densité , la couverture nuageuse,
le vent (qui homogénéise les températures)
La température de surface d'une roche ensoleillée peut être supérieure à celle de l'air environnant
Il existe évidemment une interaction entre le sol et l'air
C'est surtout le sol qui en particulier par temps calme et sec influence la température de l'air (ex : les brises marimes ou terrestre)

Les principes de base en météorologie

L'air chaud est moins dense que l'air froid
La densité d'un corps est la quantité de matière qu'il contient dans un volume donné, autrement dit c'est le rapport entre la masse d'un corps et son volume
L'air est un gaz qui possède donc une densité : l'air chaud est moins dense que l'air froid car il contient moins de molécule d'air pour un volume égale
(les molécules sont plus distancées les unes des autres à cause de leur agitation plus élevée)
L'air chaud étant moins dense il monte en altitude
Pour exemple : mélangez de l'eau et de l'huile, agitez et lorsque vous déposez la bouteille l'huile qui est moins dense que l'eau montera à la surface
La densité de l'air est à la base du principe de convection qui permet la formation de nauges et d'orages

Plus l'air est chaud et plus il peut contenir d'eau
En effet lorsque l'air est chaud la distance entre les molécules est plus grande, donc la place pour les molécules est plus importante

L'air sec est plus dense que l'air humide
La différence entre l'air sec et l'air humide est la proportion de molécule d'eau dans un volume donné
L'air sec étant plus dense il s'élève plus difficilement. L'air sec est aussi plus stable que l'air humide

Lorsque l'on comprime l'air ce dernier s'échauffe
L'air est un gaz
Les molécules qui le composent bougent dans tous les sens. Dans leur mouvement les molécules entrent en collision produisant ainsi de la chaleur
Lorsqu'on comprime l'air la distance entre les molécules diminue et les chances de collision augmentent
La chaleur dégagée sera d'autant plus grande que l'air est compressée
Dans une cellule de haute pression (anticyclone) l'air circule tout en convergeant vers le sol
La convergence est un phénomène qui provoque une accumulation de l'air à la surface (haute pression) ainsi qu'un réchauffement puisque l'air se retrouve relativement plus comprimé

Lorsqu'on relache la pression sur un volume d'air ce dernier se refroidit
Si la pression de l'air contenu dans un volume diminue c'est que l'air occupe moins de place, les molécules sont moins nombreuses et par conséquent les collisions entre elles
sont plus rares et donc la chaleur dégagée plus faible
Ce phénomène survient dans les basses pressions

L'eau surchauffée s'évapore
L'eau peut se présenter sous 3 phases : solide, liquide et gazeux
La différence entre chaque phase est la quantité d'énergie se retrouvant dans l'eau
Plus la quantité est élevée et plus les molécules sont excitées et se déplacent rapidement jusqu'au moment où la cohésion moléculaire est nulle
C'est alors que l'eau devient un gaz et forme la vapeur d'eau
L'été lorsque le soleil réchauffe les océans ou les lacs l'eau s'évapore dans l'atmosphère
En fin d'été austral ou boréal ce phénomène d'évaporation au dessus des océans est en partie responsable de la création des ouragans ou des cyclones ou des typhons

L'humidité joue un rôle important dans l'instabilité de l'air
L'humidité est de l'eau sous forme de vapeur
La vapeur c'est de l'eau sous forme de gaz c'est à dire une des 3 phases possibles de l'eau (solide, liquide et gazeux).
Lorsque l'eau est sous forme gazeuse c'est uniquement une question de chaleur élevée
En revenant au concept d'humidité et d'instabilité on observe que plus il y a d'humidité dans l'air plus il y a de l'énergie (chaleur) dans l'atmosphère (l'eau ne s'évapore pas
sans aide d'énergie)
Lorsque l'atmosphère est surchauffée l'air amorce un mouvement vers le haut en formant des cellules convectives. Les nuages alors se forment et ils se forment parce que l'air
qui monte se refroidit
Plus l'air est froid et moins elle peut contenir de vapeur d'eau
Lorsque la vapeur se condense c'est que l'énergie potentielle se libère (on appelle cela chaleur latente). C'est donc dire que lorsque les nuages se forment l'énergie potentielle
qu'ils contenaient se libère
L'air poursuit sa montée car il continue grâce à la chaleur latente à se maintenir plus chaud que l'air ambiant qui lui est plus froid
L'humidité et l'instabilité de l'air jouent un rôle déterminant dans la formation des orages et du temps instable de l'été

Pour qu'il y ait instabilité de l'air il doit y avoir de la chaleur
Dans la plupart des cas l'air monte parce qu'il est chauffé

Relation entre la pression et la quantité d'eau que l'air peut contenir
La quantité d'eau que peut contenir une particule dépend directement de sa température et de sa pression
Par exemple à 1000 hPa à 25°C la quantité maximale de vapeur d'eau que la particule peut contenir est de 20g/kg d'air alors qu'à 900hPa à 25°C cette quantité passe à 23g/kg
Toutefois il ne faut pas oublier que si l'air monte il se refroidit donc la capacité de l'air pour contenir de la vapeur d'eau diminue : il y a rique alors de condensation (nuages)
Plus la pression est basse et plus l'air peut se charger d'humidité, il s'agit d'un mécanisme important dans la formation des cyclones, ouragans ou typhons

La chaleur latente
La chaleur latente est de l'énergie qui est libérée lorsque la vapeur se condense
Lorsque l'eau se présente sous forme de vapeur, l'énergie qu'elle possède est très élevée. Pour récuper cette énergie il suffit de faire condenser la vapeur
L'énergie se trouve libérée sous forme de chaleur latente