Sources d'énergie atmosphérique et cycle de l'eau

Objectifs de la Leçon

• Expliquer l'importance des sources d'énergie atmosphérique en météorologie.
• Expliquer l'importance de la vapeur d'eau et les 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.

Importance des sources d’énergie atmosphérique

• Presque toute énergie provient du soleil, alimentant la circulation atmosphérique et les systèmes météorologiques.
• Le soleil est responsable du cycle évaporation-précipitations, essentiel en météorologie et ayant des répercussions économiques, agricoles et sociales.
• Des processus et transformations d'énergie doivent se produire avant que l'énergie solaire puisse influencer le système météorologique.

Énergie et Travail

• Un objet possède de l'énergie s'il peut fournir un travail et pour étudier cette énergie, il faut la mesurer.
• En physique, la force est définie comme toute cause capable de déformer un objet, modifier son état de repos ou de mouvement.
• Un corps capable d'effectuer un travail possède de l'énergie, mesurée en joules, tout comme le travail.

Sources d'énergie

• Les sources d'énergie atmosphérique peuvent être rattachées à l'activité présente ou passée de l'atmosphère
• L'activité présente est liée aux sources d'énergie renouvelable (primaire);le passé est lié aux sources non renouvelables (secondaire).
• Les combustibles fossiles (charbon et pétrole) constituent des sources d'énergie secondaires non renouvelables présentes dans le sol.
• La combustion de ces combustibles ajoute l'énergie emmagasinée du passé à l'activité énergétique actuelle.
• L'énergie est disponible grâce au rayonnement solaire (source la plus importante) et de la Terre, ainsi que par la gravité terrestre, solaire et lunaire.

Sources d'Enérgie et Processus Atmosphériques

• L'énergie de la Terre provient du rayonnement, de la conduction, de chaleur latente, de la pression, des précipitations et du cycle jour/nuit.
• Les sources d'énergie internes et externes contiennent des formes d'énergie thermiques et mécaniques.
• L'insolation est la principale source d'énergie thermique, tandis que les mouvements/gravité de la Terre influent sur la masse.
• Le rayonnement solaire chauffe le système atmosphérique terrestre.
• La gravité solaire et lunaire cause les cycles saisonniers et mensuels.
• La chaleur terrestre chauffe la troposphère permettant la vie.
• La gravité et la rotation de la Terre influent les cycles diurnes et maintenant l'atmosphère en place.

Formes d'énergie

• L'énergie existe sous diverses formes et peut être convertie, mais seulement en présence de matière.

Énergie Potentielle et Cinétique

• L'énergie potentielle est liée à la position/état d'un corps dans un champ physique(appelée énergie emmagasinée)
• Elle peut être stockée (latente), comme dans la vapeur d'eau ou l'électricité, ou gravitationnelle, comme la hauteur d'un objet dans l'atmosphère.
• L'énergie potentielle météorologique provoque la convection, la pression, les précipitations et peut servir à étudier le potentiel de développement d'une dépression barocline.
• L'énergie cinétique est possédée par un corps en mouvement; Exemples en météorologie sont l'air, l'eau en mouvement, les nuages, etc
• Un corps soulevé possède de l'énergie potentielle, qui se transforme en énergie cinétique lors de sa chute sous la force la gravité.
• L'étude de l'énergie cinétique sert à prévoir la position des nuages, la vitesse du vent et l'intensité des systèmes baroclines.

Le Chaleur

• La chaleur prouve que les particules possédant de l'énergie se déplacent rapidement, dépendant de l'énergie cinétique totale des particules
• L'énergie rayonnante est transmise par rayonnement électromagnétique et existe dans le vide.

Conservation de la masse et de l'énergie

• Avant 1905, les scientifiques utilisaient 2 lois : la masse/énergie ne peut être créée/détruite.
• L'énergie peut changer de forme, comme la conversion d'énergie potentielle en énergie cinétique, causant des tempêtes.
• Einstein a suggéré qu'E = mc², énergie pouvait être convertie en masse et la masse en énergie.
• Les lois scientifiques susmentionnées sont des approximations.
• Elles fonctionnent si il ne se produit pas de réactions nucléaires et si la la vitesses n'approchent pas pas de la vitesse de la lumière.
• La loi générale combine les deux lois en affirmant que dans tout système la somme de la masse et de l'énergie demeure constante.

Température vs Chaleur vs Énergie

• La chaleur se propage d'un corps à température supérieure vers un corps à température inférieure.
• La température d'un corps dépend de l'énergie moyenne de déplacement des molécules.
• La chaleur d'un corps dépend de l'énergie totale de déplacement des molécules et de sa masse.
• Il faut considérer la masse et la température d'un objet, soit son énergie cinétique totale, pour le transfert d'énergie thermique.

Changement d'État de l'Eau

• Le rôle essentiel de la vapeur d'eau en météorologie est sa capacité à subir des changements de phase.
• Ces changements s'accompagnent d'absorption ou de libération de chaleur.
• Les processus qui absorbent la chaleur sont la fusion (solide à liquide), l'évaporation (liquide à vapeur) et la sublimation (solide à vapeur).
• Les processus qui libèrent la chaleur sont la congélation (liquide à solide), la condensation (vapeur à liquide) et la condensation solide (vapeur à solide).

Rôle de la vapeur d'eau

• La vapeur d'eau absorbe/réfléchit le rayonnement, contribuant à l'équilibre du système Terre-atmosphère.
• L'accumulation/libération de chaleur latente par évaporation/condensation aide à maintenir l'équilibre global.
• La chaleur latente libérée par la condensation est une source d'énergie dans la circulation générale.

Importance de la vapeur d'eau pour la météorologie

• La vapeur d'eau est un constituant essentiel à l'atmosphère.
• Sans elle, il n'y aurait ni nuages, ni pluies, ni orages, ni eau liquide.
• Elle est ajoutée aux basses couches de l'atmosphère par évaporation/condensation solide et est dispersée par la turbulence, la convection et le soulèvement.
• La vapeur d'eau est soustraite à la mi-troposphère par la formation de nuages/précipitations.
• Les changements qui ajoutent de la vapeur d'eau à l'atmosphère sont l'évaporation et la sublimation.
• Les changements qui éliminent de la vapeur d'eau de l'atmosphère sont la condensation et la condensation solide.

Chaleur Latente et Changements de Phase

• La chaleur latente est l'énergie libérée/absorbée lors d'un changement d'état.
• La température de l'eau ne change pas pendant le changement d'état, l'énergie est emmagasinée.

Saturation et Changements d'état

• La saturation est la quantité maximale de vapeur d'eau que l'air peut contenir, dépendant de la température, la pression et la composition de l'air.
• Le point de rosée est un point de saturation et une température plus élevée indique une plus grande capacité humidité.
• Quand le point de rosée passe sous le point de congélation, il se produit de la gelée blanche par condensation solide.
• La condensation solide libère plus d'énergie que la condensation.

Changements de phases (fusion, congélation, évaporation)

• La transformation de la phase solide à la phase liquide est appelée fusion ou fonte et se produit normalement à 0°C pour l'eau pure.
• L'absorption de chaleur par la glace augmente la vitesse de ses molécules menant à la liquéfaction.
• La chaleur requise pour faire fondre la glace sans changer la température est la chaleur latente de fusion.
• Dans tout changement de phase, l'énergie thermique sert au changement et non à élever température; la quantité requise varie avec le volume d'eau.
• La congélation, ou solidification, inverse la fusion et se produit à même température; la chaleur absorbée lors fusion = la chaleur dégagée lors congélation.
• L'eau se dilate légèrement en gelant, contrairement autres substances, ce qui rend la glace moins dense et flottante.

Les changements de phase

• Durant l'évaporation, l'atteinte d'une certaine vitesse par les molécules d'eau permet à l'eau de s'échapper et de devenir vapeur.
• L'évaporation demande une grande quantité d'énergie, soit la chaleur latente de vaporisation.
• L'énergie provient d'une surface évaporant comme le sol ou la peau, entraînant une baisse de température, d'où la sensation de froid.
• La condensation fait tendre les molécules de l'eau à perdre de la vitesse, dégageant de la chaleur en quantité égale requise pour l'évaporation.
• La sublimation transforme directement un solide en gaz; l'inverse est appelé condensation solide, pouvant contourner l'étape médiane de la fusion.
• L'énergie requise pour faire un changement de phase est la somme des chaleurs latentes de fusion et de vaporisation.

Conditions Météorologiques et Changements d'états

• La fusion se produit par temps humide, quand température monte au-dessus de 0°C.
• La congélation se produit quand l'air saturé se refroidit sous 0°C, comme dans le cas de gouttelettes soulevées à haute altitude vers des couches froides.
• L'évaporation se produit dans l'air non saturé quand l'air se réchauffe et la condensation, dans l'air saturé quand température diminue sous 10°C.
• La condensation solide se produit dans l'air saturé (air sec) en dessous de -10°C (aussi appelé dépôt).
• La sublimation survient dans l'air non saturé qui se réchauffe au-dessus de 0°C (surtout quand frappe la neige).

Chaleur Tatente et changements climatique

• La chaleur latente liée à la vapeur d'eau a une grande importance en météorologie.
• La vapeur d'eau est produite par évaporation au-dessus des océans et son transport par les vents peut dégager une grande quantité d'énergie.
• La condensation d'un kilogramme de vapeur d'eau libère 2 500 000 J de chaleur.

Changements d'état et leurs conséquences

• Chaque changement d'état absorbe ou dégage de la chaleur latente : l'absorption refroidit et le dégagement réchauffe l'air.
• La fusion absorbe de chaleur (ex: neige fondante) et lors de la congélation dégage de la chaleur( ex: lacs qui gèlent).
• L'évaporation absorbe (ex: virgas) alors que la condensation dégage de la chaleur (ex: nuages).
• La condensation solide dégage de la chaleur (ex: gel); la sublimation absorbe de la chaleur (ex: fonte de la neige au printemps).

Processus de transferts d'énergie dnas l'atmosphère

• Le transfert d’énergie dans l’atmosphère se produit par échange de chaleur ou transfert de masse via : Rayonnement, Conduction, Convection, Advection.

Transfert d'énergie par rayonnement

• La propagation de chaleur(rayonnement) peut se produire même dans le vide.
• Le rayonnement, où l'énergie se propage dans l'espace sans avoir besoin de particules, est émis par tous corps avec énergie thermique.
• Lorsqu'un corps absorbe le rayonnement, les particules se déplacent rapidement, augmentant la température du corps(inverse est vrai si le corps émet le rayonnement).

Transfert d'énergie par refroidissement de la surface terrestre

• La surface de la Terre se refroidit via le rayonnement ce qui refroidi la couche limite par conduction ce qui finit par étendre le refroidissement dans toute la couche limite.
• Très simple, la nuit le sommet des nuages réémet lui-même vers l’espace.

Transfer d'énergie par conduction

• L'énergie se propage de particules à particules (corps chaud transmettant chaleur à un corps froid).
• Le corps chaud perd de l'énergie, tandis que le corps froid en gagne. La capacité de conduction de chaleur varie : les liquides et les gaz sont moins bons conducteurs que les solides.

Advection et poussée d'Archimède

• L'air chaud, moins dense, s'élève, tandis que l'air froid, plus dense, descend.
• La poussée d'Archimède résulte de la différence de densité entre l'air léger ascendant et l'air environnant plus lourde.

Transfert d'énergie par convection

• Le transfert de chaleur se fait surtout par courants de convection.
• L’air chaud est moins dense et reçoit une poussée vers le haut.

Transfert d'énergie par l'Advection

• L’énergie thermique en météorologie est transportée horizontalement par courants océaniques et atmosphère (mouvement vertical non inclus).
• L'ascendance et la subsidence synoptiques ne représentent pas l'advection.

Transfer d'énergie et turbulences

• Transfert vertical/horizontal d’énergie créée par vents forts, terrain rugueux et stabilité (le mélange a un effet sur la couche limite).
• Le mélange turbulent a un effet sur la couche limite planétaire.
• De forts vents permettent davantage mélange convectif épaississant la couche limite:l' augmentation de la chaleur et d'humidité rendant l’atmosphère plus instable donc il est possible qu'il y ait plus de tempêtes.

Types d'advections

• Il existe deux types d'advections soit chaude et froide
• L'advection d'air chaud est le processus dans lequel le vent souffle d'une région où l’air y chaud vers une région où l’air y froid.
• L’air se déplaçant de la couche épaisse vers une couche mince.
• L’advection d’air froid est le processus dans lequel vent souffle dans des régions où l’air y est chaud.
• L'advection a un rôle important dans la formation des nuages orographiques et des précipitations sous forme de pluie, surtout où l'air est saturé.

Transfer d'énergie par le rayonnement et longueurs

• Tous les(petits ou grands) corps irradient tout autour d’eux.
• La longueur des ondes d’un corps qui rayonne est basée sur la température de celui-ci.

Cycle Hydrologique et Transfert Thermique

• Cycle où l'eau s'évapore, est transportée et se condense en formations (nuages) et prend des changements d'état(pluie/neige).
• Les cours d'eau ramènent l'eau aux océans.
• Le cyle d'evaporation transporte aussi la chaleur latente.
• La condensation de la chaleur est libérée et sans ce transfert il y aurait absence de réfroidissement des pôles.
• L'ascendance et la subsidence synoptiques contribuent au cycle de l'eau ainsi que l'avdection.
• En général, il a existence à un certain nombre de sous-cycles à l’intérieur d’eux.

Étapes du Cycle Hydrologique

• 4 processus constitutifs du cycle hydrologique :
  • Évaporation de l’eau de la surface de la Terre vers l’atmosphère;
  • Transport de l’eau par l’air;
  • Condensation et précipitations vers le sol;
  • Transport de l’eau par les cours d’eau et les rivières de retour dans les océans.
• Les moléculeu d'eau peut changer de phase et revenir à l'état liquide ce qui fait des maillons importants.