Les émagrammes - Cours météo

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Utilisé en météorologie, l'émagramme est un outil bien utile pour décrire de manière simplifiée et visuelle l'état thermodynamique de la troposphère. Ce diagramme (qui reste tout de même assez complexe) permet d'étudier la stabilité verticale de l'air et d'analyser les processus de condensation présents dans la troposphère. Pour résumer un émagramme sert à apprécier la plus ou moins grande instabilité d'une masse d'air.

 

Cet outil est en réalité un graphique assez atypique sur lequel on reporte un profil vertical de température et d'humidité de la masse d'air étudiée. Ce profil peut être obtenu de deux manières différentes : soit par mesure à l'aide d'une sonde embarquée sous un ballon (ballon-sonde) ce qui va permettre de connaître l'état présent de la troposphère, soit par un calcul prédictif réalisé avec un modèle planétaire ou régional afin de prévoir l'état de la troposphère.

 

 

LECTURE ET COMPRÉHENSION

 

Intéressons-nous de plus près sur l'aspect graphique d'un émagramme. Comme nous le disions précédemment, il s'agit d'un diagramme un peu particulier doté d'un système d'axes inhabituel :

 

 

→ En abscisse : température (exprimée en °C ou °F )

La température est représentée en abscisse par des lignes isothermes inclinées à 45° vers la droite. Les graduations peuvent apparaître en bas, à droite ou en haut du graphique voire sur les lignes.

 

→ En ordonnée : pression atmosphérique et altitude

La pression atmosphérique est la graduation verticale située sur la gauche de l'émagramme exprimée en millibars (mb) ou en hectopascals (hPa) avec la présence de lignes horizontales isobares.

L'altitude est elle aussi représentée en ordonnée mais à droite de l'émagramme. Elle s'exprime en kilomètres ou en pieds.

 

→ Des courbes plus complexes

Avant de commencer nous allons définir certains termes compliqués :

Pour bien comprendre la notion d'adiabatique sèche et pseudo-adiabatique saturé commençons par définir la notion de gradient thermique adiabatique. Le gradient thermique adiabatique est, dans l'atmosphère terrestre, la variation de la température dans l'air avec l'altitude sans considérer d'échanges de chaleur avec l'environnement (d'où le terme adiabatique) et de processus de condensation. En fait, il ne dépend que d'un seul facteur : la pression atmosphérique.

Le gradient adiabatique sec (adiabatique sèche) désigne la variation de température par unité d'altitude d'une particule d'air sèche (ne contenant pas d'eau sous forme liquide). Ce gradient de température vaut à peu près 1°C/100 m, c'est à dire que l'on perd 1°C tous les 100 mètres.

Le gradient adiabatique humide (pseudo-adiabatique saturé) montre la variation de température par unité d'altitude d'une particule d'air saturée (dont le taux d'humidité atteint 100%). Ce gradient de température vaut généralement entre 0.5 et 0.8°C/100 m.

 

→ Les adiabatiques sèches (courbes théta)

Elles sont représentées sur un émagramme par des courbes continues, inclinées vers la gauche et creusées. Une particule d'air qui s'élève en altitude sans condensation voit sa température suivre la courbe sur laquelle elle est positionnée au départ.

 

→ Les pseudo-adiabatiques saturées (courbes théta w)

Les courbes associées aux pseudo-adiabatiques saturées sont souvent plus raides que les adiabatiques sèches, bombées et discontinues. Une particule d'air qui s'élève en altitude avec condensation voit sa température suivre la courbe sur laquelle elle est positionnée au point où apparaît la condensation de la vapeur d'eau.

 

→ Les lignes d'égal rapport de mélange de saturation

Elles permettent de connaître l'humidité absolue d'une particule d'air. Le rapport de mélange se mesure en gramme d'eau par kilogramme d'air sec. Il sert à déterminer l'altitude à laquelle va se produire le début de la condensation. Une particule d'air s'élevant en altitude voit tous ses paramètres évoluer durant l'ascension (pression, température, point de rosée...) mais le rapport de mélange reste constant.

 

 

► Report des paramètres de l'atmosphère issue du radiosondage

 

→ La courbe d'état

C'est l'ensemble des points de coordonnées (T, P) (température, pression) issues des mesures issues d'un radiosondage*. Cela va donner l'allure du profil vertical de la température. Sur un émagramme, elle est représentée en rouge la plupart du temps.

 

→ La courbe du point de rosée (ou thermomètre mouillé)

La température du point de rosée est la température à laquelle on devrait refroidir à pression constante la masse d'air pour qu'il y ait condensation. Sur un émagramme elle est représentée en bleu.

Sur un émagramme, lorsque la courbe d'état et la courbe du point de rosée se rejoignent il y a saturation, nous sommes donc en présence d'un nuage. Pour résumer brièvement, plus l'écart entre la température et point de rosée est important plus l'humidité est basse et inversement.

 

 

► Autre paramètre

 

→ Le vent

Il est représenté sur la partie droite de l'émagramme sous forme de vecteurs (direction) munis de barbules afin d'indiquer l'intensité.

Rappel : un petit trait (5 nœuds), un grand trait (10 nœuds), un triangle (50 nœuds) avec 1 nœud = 1 kt = 1 mile/h = 1.85 km/h

 

* radiosondage : mesure de paramètres atmosphériques à l'aide d'une sonde transportée sous un ballon libre (température, pression, humidité ... ). Les données recueillies sont ensuite transmises au sol par radio-émission.

 

 

ÉTUDE DE CAS

 

 

La courbe magenta représente le parcours d'une particule d'air dans le plan pression-température.

La zone hachurée en rouge correspond au nuage et le trait noir à la base du nuage (niveau de condensation).

Les adiabatiques sèches sont représentées en bleu et les pseudo-adiabatiques humides en orange. Elles sont numérotées à partir de la température par laquelle elles passent pour la pression conventionnelle de 1 000 hPa

 

 

Que se passerait-il si ce profil initialement mesuré à 23h demeurerait identique le lendemain après-midi ?

 

(1) La particule d'air à 13°C s'échauffe de 3°C au niveau du sol à son contact → elle se dilate. Sa densité diminue donc. Elle "flotte"dans l'air environnant resté plus froid et lorsque cette poussée d'Archimède s'est exercée suffisamment longtemps, elle vainc les inerties et les frottements.

(2) La particule d'air s'élève. La pression atmosphérique ambiante diminue avec l'altitude, la particule se détend de façon adiabatique, sans échange de chaleur (d'énergie thermique) avec l'environnement. Ses caractéristiques évoluent dans le plan Pression-Température en suivant l'adiabatique sèche "16°C", parallèle aux pointillés bleus , 16° étant sa température au décollage à la pression de 1 000hPa.

(3) Arrivée à 800m, elle atteint 10°C et la saturation (trait noir). De l'eau condense en brouillard qui alimente le nuage.

(4) La chaleur consommée précédemment pour évaporer l'eau est restituée lors de la condensation. Elle s'élève dans le plan Pression-Température en suivant la pseudo-adiabatique humide "13°C", parallèle aux pointillés oranges. Cette courbe "13°C" passe bien par le point de coordonnées 800m/10°C où est apparue la condensation. L'écart entre la température de la particule et celle de l'air environnant augmentant, la différence de densité s'accentue et l'ascendance se renforce. Le nuage "pompe" donc fortement et les mouvements ascendants se renforcent (on peut atteindre des vitesses verticales de 35 à 70km/h dans un cumulonimbus !).

(5) La température de la particule atteint -25°C, identique à la température ambiante. Il n'y a plus de différence de densité. L'ascension s'arrête à 6 000m. Il s'agit d'un Cumulus congestus. Il gèle fortement dans le nuage et les cristaux de glace s'agglomèrent. La forte ascendance empêche ces derniers de descendre tant qu'ils ne sont pas assez gros et lourds. On doit donc s'attendre à des averses de grêle, qui peuvent se transformer en pluie près du sol.