Sources d'énergie atmosphérique

Objectifs de la leçon

• Expliquer l'importance des sources d'énergie atmosphérique en météorologie.
• Expliquer l'importance de la vapeur d'eau et des processus qui font intervenir la vapeur d'eau dans l'atmosphère.
• Décrire les processus de transfert d'énergie thermique et leur importance en météorologie.
• Expliquer comment le cycle de l'eau provoque un transfert net d'énergie de la Terre vers l'atmosphère.

Généralités

• La leçon porte sur la transformation de l'énergie dans l'atmosphère, avec un accent sur les échanges d'énergie lors des changements d'état de l'eau.
• Comprendre la météorologie et ses processus est essentiel pour fournir des services d'exposé au pilote.

Sources d'énergie en météorologie

• Presque toute l'énergie provient du soleil, alimentant la circulation atmosphérique, les systèmes météorologiques et le cycle évaporation-précipitations.
• L'activité présente de l'atmosphère est associée aux sources d'énergie renouvelables (primaires).
• L'activité passée est associée aux sources d'énergie non renouvelables (secondaires).
• Des sources d'énergie secondaires non renouvelables se trouvent dans le sol, comme le charbon et le pétrole.
• Le rayonnement solaire et le vent sont des exemples de sources renouvelables primaires.
• L'énergie est disponible en grande quantité par le biais du rayonnement du soleil et de la Terre.
• De plus petites quantités d'énergie sont disponibles par le biais de la gravité terrestre, solaire et lunaire.
• L'énergie de la Terre peut provenir du rayonnement, de la conduction et de la chaleur latente, ainsi que de la pression, des précipitations attirer l'eau et les cycle jour-nuit.
• En plus de s'équilibrer, les sources d'énergie internes et externes contiennent des formes thermiques et mécaniques en fonction de leur chaleur et de leur masse.
• Le rayonnement solaire (insolation) est la principale source d'énergie thermique, tandis que les mouvements et la gravité de la Terre exercent la plus grande influence sur la masse.
• Un rayonnement continu baigne l'atmosphère, et la gravité demeure une force interne.
• L'énergie solaire intervient directement via le rayonnement et indirectement via les effets de marée sur l'atmosphère et les océans (gravité solaire et lunaire).

Importance des sources d'énergie

• Le rayonnement solaire fournit de la chaleur au système atmosphérique terrestre.
• La gravité solaire et lunaire détermine les cycles saisonniers et mensuels (marées).
• La chaleur de la Terre réchauffe la troposphère et y permet la vie.
• La gravité et la rotation de la Terre affectent les cycles diurnes (jour et nuit) et aident à maintenir l'atmosphère en place.

Formes d'énergie

• L'énergie peut être convertie d'une forme à une autre, mais uniquement en présence de matière.
• L'énergie potentielle est l'énergie qu'un corps possède en raison de sa position ou de son état dans un champ physique; peut être stockée et libérée ultérieurement.
• L'énergie cinétique représente l'énergie d'un corps en mouvement, lui permettant d'effectuer un travail.
• L'air (vent, courant-jet, microrafale), l'eau (courant et marée) et les nuages sont des exemple d'énergie cinétique.

Conservation de la masse et de l'énergie

• Avant 1905, la masse et l'énergie étaient expliquées par deux lois distinctes.
• La masse et l'énergie sont conservées dans un système.
• L'énergie peut changer de forme, par exemple, l'énergie potentielle devenant de l'énergie cinétique lors de tempêtes.
• Einstein a suggéré que l'énergie peut être convertie en masse (E=mc²).
• La loi générale combine les deux : La somme de la masse et de l'énergie demeure constante dans un système.

Température, chaleur et énergie

• La température est lié à l'énergie moyenne de déplacement des molécules.
• La chaleur est associée à l'énergie totale de déplacement des molécules.
• L'énergie cinétique totale doit être considérée lors du transfert d'énergie thermique, qui prend en compte à la fois la masse et la température.

Changements d'état de l'eau

• Les changements de phase de l'eau jouent un rôle essentiel en météorologie, influençant le temps et les conditions atmosphériques.
• Les processus de fusion, évaporation et sublimation absorbent la chaleur.
• La congélation, la condensation et la condensation solide libèrent la chaleur.
• La vapeur d'eau absorbe et réfléchit le rayonnement
• L'accumulation et libération de chaleur latente aident à maintenir l'équilibre global et contribuent à maintenir la circulation générale.
• La vapeur d'eau est ajoutée aux basses couches de l'atmosphère par évaporation et condensation solide, et éliminée de la mi-troposphère par la formation des précipitations.
• Évaporation (liquide à gaz) et la sublimation (solide à gaz) sont des étapes qui ajoutent de la vapeur
• Condensation (gaz à liquide) et la condensation solide (gaz à solide) éliminent la vapeur.

Chaleur latente

• La chaleur latente est la quantité d'énergie libérée ou absorbée lors d'un changement d'état.
• La température de l'eau reste inchangée pendant le processus, l'énergie étant stockée sous forme latente.
• L'air peut contenir une quantité maximum de vapeur d'eau qui dépend de la température de l'air, la pression atmosphérique, la composition de l'air et le type de surface (glace ou eau).
• Le point de gelée blanche (point de rosée passe sous le point de congélation et créer de la gelée).

Processus de changement d'état

• La condensation solide libère plus d'énergie que la condensation.
• Absorption de chaleur durant la fusion de solide en liquide (ou fonte)
• La liquéfaction inverse est appelée solidification ou congélation (chaleur dégagée).
• L'évaporation requiert une grande quantité d’énergie appelée chaleur latente de vaporisation (transfert d’énergie requis pour produire cette évaporation entraîne une baisse de température).
• La condensation est le processus inverse de l’évaporation (dégage de chaleur). C’est-à-dire : les molécules d’eau perdent de la vitesse par comparaison avec la phase gazeuse, il y a dégagement de chaleur.
• Sublimation : Transformation directe d’un solide en gaz, sans modification de sa température. Inversément : la condensation solide. Nécessitent la somme des chaleurs latentes de fusion et de vaporisation.
• Fusion : Se produit dans l’air humide (surface de glace) quand la température s’élève au-dessus de 0°C.
• Congélation : Se produit quand de l’air saturé se refroidit et que la température de l’air est égale ou inférieure à 0°C.
• Évaporation : Se produit dans de l’air qui n’est pas saturé (air sec) à mesure que l’air se réchauffe.
• Condensation : Air saturé qui se refroidit lorsque la température est supérieure à 10°C.
• Condensation solide : Dans l’air saturé (air sec) à mesure que l’air se refroidit et que la température est inférieure à -10°C; on appel ce processus dépôt.
• Sublimation : Dans de l’air qui n’est pas saturé (air sec) à mesure que l’air se réchauffe juste au-dessus de 0°C; la lumière du soleil frappe directement les couches supérieures de la neige.
• La couche de chaleur latente de la vapeur d’eau est extrêmement importante en météorologie.
• Dans chaque changement d’état ou de phase, il y a soit une absorption ou un dégagement de chaleur latente
• Fusion : absorbe de la chaleur latente, comme la neige qui fond.
• Congélation : dégage de la chaleur latente comme la glace qui fond.
• Évaporation : absorbe de la chaleur latente comme la fumée de mer arctique.
• Condensation : dégage de la chaleur latente comme le brouillard.
• Condensation solide (gaz à solide) : dégage de la chaleur latente comme la gelée blanche.
• La sublimation absorbe la chaleur tel que la disparition de la neige au printemps.

Transfert d'énergie

• Les quatre processus de transfert d'énergie dans l'atmosphère sont le rayonnement, la conduction, la convection et l'advection.
• Les transferts d'énergie se produisent dans l'atmosphère par échange de chaleur ou de transfert de masse.

Transfert d'énergie par rayonnement

• Le premier processus de propagation de la chaleur est le rayonnement qui peut se produire entre deux corps qui même dans le vide.
• Le rayonnement élève la température si l'énergie est absorbée et l'inverse est vrai pour le corps qui émet.

Refroidissement par rayonnement

• Le refroidissement à la surface se propage de proche en proche dans la couche.
• La surface des nuages libère l'énergie causant un refroidissement.

Transfert d'énergie par conduction.

• Il se propage de particule en particule(Transfert d'énergie ou transfert de masse)
• La chaleur d'un conducteur varie selon une substance à une autre.

Transfert d'énergie par convection

• Les liquides et les gaz se propage principalement par des courants de convection; l’air chaud est moins dense (plus instable) et s’élève alors que l’air froid est plus dense (plus stable) et descend.
• La poussée d’Archimède est en raison d’une différence de densité entre une particule d’air plus légère qui s’élève et l’air environnant plus lourd.

Advection(Transfert de masse)

• L’énergie thermique est transportée d’un endroit à l’autre par les courants océaniques et la circulation atmosphérique (le plan horizontal seulement).
• Se sert aussi des processus WAA et CAA pour transférer d’une zone a une autre .

Exemples météorologiques des processus de transfert d'énergie

• Mélange turbulent : Transfert vertical ou horizontal d’énergie par la turbulence mécanique créée par des vents forts (influence les orages).
• Convection: Les regions les plus chaude absorbent la chaleur avec plus d’énergie que les régions les plus froides et transporte plus facilement la chaleur .
• Advection: Tel qu’expliqué précédemment, l’advection fait référence au transfert horizontal de chaleur d’une région à une autre.
• L’advection d’air chaud (WAA) est le processus dans lequel le vent souffle d’une région où l’air est chaud vers une région où l’air est froid.
• L’advection d’air froid (CAA) est le processus dans lequel le vent souffle d’une région où l’air est froid vers une région où l’air est chaud.
• Rayonnements: la longueur d'onde du transfert dépends principalement du corps transfèrent l’énergie (vibration des électrons (Chaque onde a une certaine forme et longueur (distance de 2 creux ou 2 crêtes )).
• Sur terre elle est courte et longues .

Cycle hydroglogique

• L’eau s’évapore de la surface de la Terre et est transportée au loin par l’air en mouvement et transfère la chaleur latente emmagasinée par l’évaporation pour crée les précipitations
• Évaporation, le transport de la vapeur d’eau , la condensation d’eau au sol et finalement transporté par cours d’eau et rivières vers l’océan .