Phil la marmotte
La
Météorologie 
Son but est la prévision du temps et l’étude des phénomènes atmosphériques.
Grâce aux satellites et aux ordinateurs, celle-ci évolue vite (Prévisions plus précises).
L’atmosphère :
N’a été reconnu qu’au XVIIéme siècle par le physicien Torricelli inventeur du Baromètre.
L’atmosphère est responsable du temps qu’il fait (Ciel bleu, Tempête, Ouragan ...).
La pression atmosphérique :
(N2=78% ; O2=21% ; gaz rares = 1%)
exp. :
Si on chauffe une bouteille en plastique après l’avoir un peu écrasée, on s’aperçoit très vite que la bouteille se regonfle au point même d’éclater si l’on continue à chauffer. Cela veut dire que la pression dans la bouteille est inférieure à la pression atmosphérique et qu’en chauffant l’air contenu dans la bouteille celui-ci devient égal à la pAtm car elle reprend sa forme initiale, puis supérieure lorsque la bouteille a commencé à devenir plus grosse qu’à la normale. Conclusion, il existe bien une pression. atmosphérique. En 1648, Pascal invente le baromètre à Hg où la colonne de Hg reste sensiblement aux alentours de 76 cm de Hg. Pascal va alors en montagne pour voir si la pression reste constante en fonction de l’altitude et s’aperçoit que celle-ci varie en fonction de la hauteur (Expérience faite dans le Puy de Dôme en 1648).Sans le savoir, il invente l’altimètre.
Unités de mesure de la pAtm :
mm de mercure (Hg) :soit pour un temps variable 760 mm Hg.
h Pascal (hecto Pascal ) : 1014 h Pa
m bars (milli bars) : 1014 mb
Lorsque la pression augmente => zone anti cyclonique
Lorsque la pression diminue => zone cyclonique ou dépressionnaire.
Les capteurs :
Il existe aussi des baromètres métalliques qui fonctionnent sur le principe de la bouteille en plastique.(Ici, ce n’est pas la température qui intervient (normalement) mais, la pression elle-même.).
Quelques notions de physiques :
Lorsqu’on chauffe un gaz, il se dilate car les molécules d’air captent cette énergie et la transforment en énergie cinétique, ce qui a pour but d’augmenter leur vitesse. De ce fait, elles viennent alors percuter la paroi de l’enceinte qui les renferme plus fortement, provoquant alors une pression d’autant plus importante qu’on chauffera.
v =Ö 3RT/M
PV = nM/3 < v2 > = nRT PV = nRT P = V/nRT T = PV/nRT PV = P/nRT
P = F/S F = PS
P = Pascal ; F = Newton ; S = m2 ; T = °K ; n = nbre de moles ; V = m3 ; R = 8,31 J/mole ; M = masse molaire.
La Température et la Chaleur.
Un corps peut contenir de la chaleur mais être de faible température. La chaleur est une énergie, la température ne reflète qu’un état par rapport à un autre.
Exemple : un bloc de métal d’un kilogramme à 1°C, contient plus de chaleur qu’un kilogramme d’eau à 1°C.
Différents types de thermomètres :
Thermomètres à gaz :
Sont basés sur la dilatation d’un gaz en fonction de sa température. Plus on chauffera le gaz et plus il se dilatera. Ces thermomètres sont très précis, mais coûtent très chers. C’est d’ailleurs grâce à eux, qu’on étalonne les autres thermomètres courants.
Thermomètres à dilatation de solide :
Sont basés sur la dilatation de deux corps ayant des coefficients de dilatation différents. Par comparaison réciproque la mesure de la température peut se faire.
Thermomètre à liquide :
Fonctionne sur le même principe que pour les gaz.
Thermocouple :
En chauffant deux métaux différents plaqués l’un contre l’autre, on créé un déséquilibre thermique donnant le passage d’un courant électrique proportionnel à la température de chauffage. Il suffit de mesurer le courant et d’établir un rapport courant/température pour connaître la température. Ces sondes sont très précises mais sont fragiles et coûtent très chers.
Thermistance :
Lorsqu’on fait passer un courant dans une thermistance, la résistance va variée en fonction de la température et donc le courant résultant variera lui aussi. Il suffit d’établir un rapport courant/température pour obtenir un thermomètre.
Pyromètre optique à Infrarouge :
Tous les corps, quelques soient leurs températures émettent des radiations infrarouges qui correspondent à la chaleur de ce corps et donc indirectement selon la composition du corps, à sa température.
Unités de mesure de la température :
Degrés centigrade = °C 0°C Glace 100°C Vapeur
Degrés Kelvin = °K 273.2°K Glace 373.2°K Vapeur
Degrés Celsius = °C 0°C Glace 100°C Vapeur
(en fonction des trois états de l’eau: solide, liquide et gazeux).
A cette température la matière est quasiment inerte, aucune agitation thermique n’est pratiquement possible. Expérimentalement cette température n’a jamais été obtenue, mais les chercheurs s’en sont approchés jusqu’à 0.00000003°K atteinte dans un cryostat à démagnétisation nucléaire qui a pour but d’arrêter l’agitation atomique.
La température la plus haute atteinte fût 400.000.000°K lors de fusion thermonucléaire dans des réacteurs spéciaux.
La température qui réside sur notre planète est due au soleil (la chaleur que l’on reçoit est due aux réactions thermonucléaires du soleil qui transforme son hydrogène en hélium. t°= 10.000.000°K).Cette température dépend aussi de certains facteurs tels que :
L’ozone (03) qui nous protège des rayons ultraviolets cancérigènes pour nos cellules. Malheureusement les CFC (chloro-fluoro-carbone) détruisent notre ozone en transformant celui-ci en oxygène.
CFC
L’effet de serre :
La pollution due aux usines, voitures, etc.. provoque le " noircissement " de notre atmosphère et donc l’effet serre qui laisse passer la chaleur du soleil vers la terre mais l’emprisonne en l’empêchant de repartir vers l’espace, (en la réfléchissant comme un miroir) d’où l’augmentation de température de notre planète(effets encore non visibles actuellement, mais démontrés par le calcul).
Quelques notions de physiques :
Lois de Stéphan :
quantité de chaleur émise/m2 : E = - Q/S E = dQ/Sdt = s T4
Lois de Planck et Wien :
T4 = E/s l *T = Cte
Lois de Van der Walls :
Les thermomètres à liquide et gaz sont basés sur la dilatation des gaz ou liquide qu’ils contiennent :
VP = nRT V = P/nRT si t°C augmente ==> volume augmente ==> monte dans la colonne.
a = 1/l * dl/dq l = lo {1+a (q - q o)}
b = 1/v*D V/D q = (3*k*l2*dl)/(l3*k*dq )=3a .
l = Longueur d’onde ; Q = Joules ; T = °K ; E = Joules ; s = 0.0000000585 W/m.K ; l = mètres ;
a = Cte dilatation ; q et q o = t°K ; b = Coeff. de dilatation ; k = Coeff. dilatation solides
Les précipitations :
Si un air saturé en eau s’échauffe, il cesse d’être saturé. Mais si il se refroidit, une partie de la vapeur d’eau va se condenser, sous forme de très fines gouttelettes d’eau ou de très fins cristaux de glace, cela en fonction de la température. Grâce à ce phénomène, il va alors apparaître des nuages (ou du brouillard, si cela se produit au niveau du sol).Les nuages sont formés de petites gouttelettes d’eau trop fines pour tomber, car prisent dans des courants d’air. Lorsque l’on apporte des germes (poussières, bactéries, ou autres corps petits) cela entraîne une précipitation car les germes auront amorcé la réaction de précipitation. Par coalescence les petites gouttes d’eau vont s’associer à d’autres gouttelettes pour en former de plus grosses qui donneront lorsque leur taille est assez importante la pluie ou la neige.
La grêle
se forme quand des gouttes de pluie
congelées produites en haute altitude, rencontrent des
gouttelettes dans les parties froides d’un nuage
d’orage où l’eau est surfondue, c’est à dire
reste liquide en dessous de 0°C et se congèle au contact des
grains de glace pénétrant dans la zone.
Le verglas se produit quand la pluie surfondue rencontre une surface froide et se transforme aussitôt en glace.
La rosée ne tombe pas du ciel, mais c’est l’eau qui se condense sur des corps plus froids que l’air environnant.
Le brouillard
est le résultat d’une
condensation au niveau du sol, il apparaît des très fines
gouttelettes qui restent en suspension dans l’air.
Les nuages :
Ils sont classés en fonction de leurs formes, de leurs altitudes, et de leurs mouvements d’air internes.
(sans mouvement vertical = Stratus ou avec mouvement vertical = cumulus).
Les vents :
L’air froid est produit par les pôles donnant puisqu’ils sont froids des hautes pressions (anticyclones).L’air chaud lui est produit par l’équateur donnant des vents chauds de basses pressions. Les masses d’air provenant des hautes pressions ont tendance à combler les zones de basses pressions ce qui engendre les vents. On pourrait s’attendre à ce que les vents soufflent de l’hémisphère nord vers le sud , mais la rotation de la terre fait que ceux-ci sont déviés donnant des sortes de spirales. Enfin l’air circule de l’équateur vers les pôles, de l’équateur il monte (étant chaud) pour redescendre vers les pôles (car refroidi) puis repart à nouveau vers l’équateur.
{c’est ce qu’on appelle la circulation générale}.
L’humidité relative de l’air ou
l’hygrométrie :
L’air est considéré comme saturé à 100% lorsqu’il contient dans un mètre cube, 18 grammes d’eau (H2O) soit une mole d’eau (6.022.1025 molécules d’eau) à 20°C et à 1014 mbars.
Calcul de l’humidité relative :
Les capteurs hygrométriques :
Hygromètre à cheveu :
La kératine qui est le constituant protéique majeur de nos cheveux et de nos ongles (phanères) forme des fibres très allongées. Sa richesse en cystéine un acide aminé soufré, lui confère une grande rigidité, mais lorsque de l’eau vient en " contact " avec ces acides aminés des ponts disulfures se cassent est d’un point de vue macroscopique, augmente la taille du cheveu proportionnellement à l’hydratation du cheveu. Grâce à ce fait, on peut fabriquer à l’aide d’un cheveu un Hygromètre (surtout avec des cheveux de rousses).
Cystéine: Symbole = Cys Formule chimique:
H2N-CH-CH2-SH
HOOC /
Complément sur les vents :
L’air est attiré des hautes pressions (anticyclonique) vers les basses pressions (dépressions) et cela d’autant plus fortement que le gradient de pression (rapidité de variation de pression entre les hautes et basses pressions) est élevé.
Mais cette force d’attirance se compose des forces de Coriolis due à la rotation de la Terre (ou force déviante composée, perpendiculaire au vent et à l’axe de rotation de la Terre) et à la force de frottement et la force de l’inertie.
[Composante = 2w .V.sinA avec : w =vitesse angulaire de la Terre en Rad.s-1 ; V = vitesse du vent en m. s-1 ; A = latitude du lieu].
A noter que dans l’hémisphère Nord la force de Coriolis se dirige à droite du mouvement.
Au niveau de l’équateur les forces de frottement et d’inertie sont très faibles et les vents résultent alors en général de l’équilibre entre la force de Coriolis et du gradient entre les hautes et basses pressions (vent géostrophique qui veut dire : géos = Terre ; trophique = mouvement).
Dans l’hémisphère Nord, le vent est tangent aux isobares (lieux d’égales pressions) laissant les hautes pressions à droite et les basses pressions à gauche.
Prés du sol , on ne peut plus négliger les forces de frottement qui dévie alors le vent vers les basses pressions (dépressions ) créant ainsi des mouvements ascendants. Pour les hautes pressions c’est l’inverse.
Certains vents locaux s’expliquent par le fait du relief, car il peut absorber de l’énergie ou en restituer (par exemple l’eau qui absorbe de l’énergie le jour et en restitue la nuit, donnant ainsi des échanges d’énergie responsables de vents locaux.)
Quelques définitions :
Alizé :
Vent régulier de NE dans l’hémisphère Nord et SE dans l’hémisphère Sud.
Souffle des hautes pressions subtropicales vers les basses pressions de l’équateur,
(Prés de l’équateur les Forces de Coriolis sont faibles) il apporte des pluies sur les côtes orientales des continents avec en moyenne de 20 km/h.
Mousson d’hiver : 
Est sèche d’octobre à avril va des continents froids vers les mers chaudes.
Elle n’amène pas ou peu de pluies.
Mousson d’été : 
Est humide mars à septembre souffle des mers chaudes vers les pôles et amène des pluies.
Tornade :
C’est un tourbillon circulaire (diamètre +/-2km) qui se déplace entre 40 à 60 km/h.
Au centre, les vents peuvent dépasser 500 km/h.
Elle tourne dans le sens des aiguilles d’une montre dans l’hémisphère Sud et dans l’autre sens dans l’hémisphère Nord.
Elle ne dévaste généralement pas plus de 200 mètres de part et d’autre du nuage en forme d’entonnoir qui correspond au tourbillon.
Le courant ascendant peut atteindre 300 km/h.
Elle emporte tout sur son passage.
Cyclone :
Est généralement le terme utilisé pour désigner le centre des basses pressions.
On l’utilise aussi pour dénommer les zones dépressionnaires (moins de 900 hPa) tropicales très basses en pression au centre desquelles tournent des vents à plus de 200 km/h.
Le cyclone à un diamètre de 200 à 900 km. Son œil de 20 à 35 km de diamètre est très paisible puisque les vents ont des vitesses de l’ordre de 0 à 30 km/h.
Il se déplace entre 20 et 35 km/h.
L’énergie déployée est égale pour un Cyclone 200 à 300 kilotonnes.s-1 (Hiroshima 20 kilotonnes).
La force du vent :
Elle est due à la pression de la masse d’air se choquant contre des objets.
L’analogie la plus logique serait de comparer le vent à un ballon dans lequel on vient de taper.
Le ballon se déplace alors puis vient percuter un objet qui pour restituer l’énergie reçue lors du choc se déplace à son tour etc..
Pour utiliser cette force naturelle au mieux, il faut se mettre à la normale du vent, c’est à dire perpendiculaire à son sens.
Plus le plan sera incliné et moins sa force directe se fera ressentir alors on observera une force de même sens inclinée au même angle tendant à se maintenir (c’est sur ce principe que sur une planche à voile on tourne ou l’on se déplace à contre vent).
| Km/h | m/s | nœuds | Beaufort | Press. hPa | Poids |
| 220 | 61.1 | 118 | 17 | 48.5 | 485 |
| 200 | 55.5 | 107 | 16 | 40.1 | 401 |
| 175 | 48.6 | 95 | 14.5 | 30.7 | 307 |
| 150 | 41.6 | 82 | 13 | 22.9 | 225 |
| 125 | 34.7 | 68 | 11.7 | 15.6 | 156 |
| 100 | 27.7 | 53 | 9.8 | 10 | 100 |
| 75 | 20.8 | 40 | 8.1 | 5.6 | 56 |
| 50 | 13.8 | 13 | 6 | 2.4 | 28 |
| 25 | 6.9 | 7 | 3.5 | 0.6 | 7 |
| 10 | 2.7 | 3 | 1 | 0.09 | 0.9 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Calcul de la force d’un vent :
Pression du vent : P = 1.3. V² avec P en Pascals et V en m. s-1
Poids du vent : F = m . g avec F en Newtons ; m en kilos et g 9.8 m. s-2
Pression d‘une masse : P = F/S avec P en Pascals ; F en Newtons et S en m²
On a alors :
F = m . g P=F/S P=1.3v²
d’où on tire que : m . g / S = 1.3 . V² m=S.V²1.3/g
Pour l’énergie d’une éolienne :
E = 1.3 . V². k
avec E en Watt/sec/m² et k pour simplifier correspond au rendement totale y compris toutes les pertes (forces de frottement du vent et mécanique, perte par effet joules...).
Exemple :
une éolienne de 40 m de diamètre est soumise à un vent de 7 m. s-1
k=5.10-4 , calculer son énergie par m² et par sa surface, elle tourne donc forme un cercle.
Son énergie pour une heure, donc en Wh.
E = 7² . 1,3 . 0,0005 = 0.03185 W/s/m²
E = 7² . 1,3 . 0,0005 . 20 . 20 . 3,14 = 40 W/s pour l’éolienne.
E = 7² . 1,3 . 0,0005 . 20. 20 . 3,14 . 3600 = 144012 W/h soit 144kWh
Tableau des variations de pression en fonction de l’altitude.
| Altitude mètre | Pression h.Pa |
| 0 | 1013 |
| 1000 | 899 |
| 2000 | 795 |
| 3000 | 701 |
| 4000 | 616 |
| 5000 | 540 |
| 6000 | 472 |
| 7000 | 411 |
| 8000 | 356 |
| 9000 | 307 |
| 10000 | 264 |
| 11000 | 226 |
| 12000 | 193 |
| 15000 | 120 |
| 20000 | 55 |
| 30000 | 11 |
La force pressante d’une colonne traversant tout l’atmosphère est égale à pour 1cm² de section (de la colonne) 1033 g (1.033 kg).
Nous portons donc environ chacun 10 tonnes d’air.
NB : 1Pa = 1 newton/m²
