La météorologie fait appel à beaucoup de principes plus ou moins simples. Ces principes sont en général directement liées à des lois de physique des gaz. Voici plusieurs de ces principes qui vous permettrons de mieux comprendre pourquoi certains phénomènes surviennent en météorologie.

Les principes:

I) L'air chaud est moins dense que l'air froid

Oui mais pourquoi?

Pour comprendre ce principe, il faut connaître celui de la densité. 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. On compare la densité des corps à celle de l'eau à 4 degrés Celsius.

Imaginons deux cubes vides. Si l'on place du mercure dans le premier et de l'eau dans le deuxième, le premier cube sera plus dense que le deuxième. Le mercure est un métal dont la masse atomique est très élevée (voir le tableau périodique). Les corps dont la masse est plus élevée sont plus pesants à cause de la gravité.
Dans une bouteille remplie à 80%, ajoutez de l'huile. Ensuite, fermez la bouteille et agitez là. Lorsque vous déposez la bouteille, l'huile qui est moins dense que l'eau montera à la surface.

L'air est un gaz qui possède aussi une densité. L'air chaud est moins dense que l'air froid car il contient moins de molécules d'air pour un volume égal (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.

La densité de l'air est à la base du principe de convection. Ce dernier permet la formation de nuages et d'orages l'été.

II) Plus l'air est chaud et plus il peut contenir de l'eau

Oui mais pourquoi?

Lorsque l'air est chaud, la distance entre les molécules d'air est plus grande. La place est donc plus disponible pour avoir des molécules d'eau.

III) L'air sec est plus dense que l'air humide

Oui mais pourquoi?

La différence entre l'air sec et l'air humide est la proportion de molécules d'eau dans un volume donné. Si, dans un cube d'air, on ajoute de la vapeur d'eau, quelques molécules d'air doivent laisser leur place aux molécules d'eau. Ces dernières sont plus légères que les molécules d'air.

L'air sec étant plus dense, il s'élève plus difficilement. L'air sec est aussi plus stable que l'air humide. Donc, il y a moins de chance d'avoir des averses ou des orages durant l'été.

IV) Lorsqu'on comprime l'air, ce dernier s'échauffe

Oui mais pourquoi?

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 collisions augmentent. La chaleur dégagée sera d'autant plus grande que l'air est compressée. C'est exactement ce qui se produit lorsqu'on souffle un pneu de bicyclette. La pompe devient chaude.

Dans une haute pression, l'air circule dans le sens horaire tout en convergeant vers le sol. La convergence est un phénomène qui provoque une accumulation de l'air à la surface (hausse de pression) ainsi qu'un réchauffement puisque l'air se trouve relativement plus comprimé.

V) Lorsqu'on relâche la pression sur un volume d'air, ce dernier se refroidit

Oui mais pourquoi?

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. Lorsqu'il y a moins de collisions, la chaleur dégagée est plus faible.

C'est le phénomène inverse qui se produit. Il survient dans les basses pressions. C'est eu peu pour ça que le mauvais temps l'été apporte aussi une baisse des températures.

VI) L'eau surchauffée s'évapore

Oui mais pourquoi?

L'eau peut se présenter sous trois phases: solide, liquide, 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 ou la cohésion moléculaire soit 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, ce phénomène d'évaporation au-dessus de l'océan atlantique est en partie responsable de la création des ouragans.

VII) L'humidité joue un rôle important dans l'instabilité de l'air

Oui mais pourquoi?

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 trois phases possibles de l'eau (solide, liquide, gazeux). Examinons chacune des phases.

La phase solide de l'eau c'est la glace. La glace est le résultat d'un manque d'énergie; les molécules d'eau se déplacent que très peu car l'énergie pour le faire est rare. Si on ajoute de l'énergie en chauffant la glace, les molécules d'eau se mettront à bouger d'avantage et les liens qu'elles tissaient entre elles seront supprimés.
La glace devient maintenant liquide, les molécules se déplacent avec beaucoup plus de facilité. Si on ajoute encore de la chaleur, les molécules s'exciteront encore davantage en se déplaçant dans tous les sens. Les liens entre elles seront de plus en plus faibles : les molécules d'eau se détacheront pour littéralement prendre le large! C'est la phase gazeuse l'eau. Pour résumer, 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 l'aide de l'énergie). Qu'est-ce qui se produit si l'atmosphère est surchauffée? L'air amorce un mouvement vers le haut en formant des cellules convectives. Les nuages se forment. Cette dernière phrase est capitale!

Les nuages se forment parce que l'air qui monte se refroidi. Plus l'air est froid et moins elle peut contenir de la vapeur d'eau (pour savoir pourquoi, voir plus haut). Lorsque la vapeur se condense c'est que l'énergie potentielle se libère (on appelle ça la chaleur latente). C'est donc dire que, lorsque les nuages se forment, l'énergie potentielle que l'air contenait se libère. Mais où va t'elle? Dans l'air! C'est là clé. L'air poursuit sa montée car il continu, grâce à la chaleur latente, à se maintenir plus chaud que l'air ambiant, qui lui est plus froid. Voilà! La boucle est fermée. Ce principe sera d'autant plus fort que l'air de l'atmosphère sera chauffé et contiendra de la vapeur d'eau.

L'humidité et l'instabilité de l'air jouent un rôle déterminant dans la formation des orages et du temps violent l'été.

VIII) Pour qu'il y ait instabilité de l'air il doit y avoir de la chaleur

Oui mais pourquoi?

L'on a vu que l'énergie joue un rôle capital dans le processeur d'instabilité. Dans la plupart des cas, l'air monte parce qu'il est chauffé. Il peut monter pour d'autres raisons mais c'est plus rare.

Si la chaleur du soleil était insuffisante pour aider à amorcer l'instabilité de l'air, les orages ne pourraient pas exister.

IX) Relation entre la pression et la quantité d'eau que l'air peut contenir

Oui mais pourquoi?

La quantité d'eau que peut contenir une particule dépend directement de sa température et de la pression. Par exemple, à 1000 mb à 25 degrés Celsius la quantité maximale de vapeur d'eau que la particule peut contenir est de 20g/kg alors qu'à 900 mb à 25 degrés Celsius 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 risque 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 ouragans.

X) L'air chaud et l'air froid c'est comme de l'huile et de l'eau

Oui mais pourquoi?

L'air est un gaz qui obéit au principe suivant : deux portions d'air avec des caractéristiques de température différente ne se mélangent pas bien. C'est comme si l'air chaud qui monte était une sorte de bulle d'huile qui monte dans un verre d'eau. En fait, l'air est un mauvais conducteur d'énergie. Au point de contact entre l'air chaud et l'air froid, l'échange d'énergie n'est pas tellement efficace (mais il existe!).

Ce principe entre en jeux dans les cellules convectives qui produisent des nuages comme les cumulus et cumulonimbus.

C'est en partie pour cette raison qu'une cellule d'air chaud peut se maintenir plus chaude que l'air ambiant tout en montant en altitude

XI) La chaleur latente

Oui mais pourquoi?

La chaleur latente est de l'énergie qui est libérée lorsque la vapeur d'eau se condense. En physique, l'énergie prend plusieurs formes. Dans un cas il s'agit de chaleur, dans d'autres cas d'énergie mécanique ou encore d'énergie potentielle. Lorsque l'eau se présente sous forme de vapeur, l'énergie qu'elle possède est très élevée. Pour récupérer cette énergie, il s'agit de faire condenser la vapeur. L'énergie se trouve libérée sous forme d'une chaleur latente.

La chaleur latente joue un rôle important dans plusieurs phénomènes météorologiques. Elle joue un rôle particulier dans les orages mais aussi dans les ouragans. Elle permet de fournir l'énergie nécessaire afin qu'un ouragan puisse se maintenir en vie.

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