L’eau et les thermiques

 
 

Les  orages  de la nuit ont détrempé la plaine devant le déco, 2 pilotes en visite à La Vierge sont amers:

– C’est trempé ! La journée  est pourrie.

Surpris (pas tant que cela en fait), j’interroge pour confirmer  mon appréhension : – Comment cela ?

Sympa le pro m’explique: –  L’évaporation va pomper toute la chaleur du sol, va falloir attendre l’après-midi pour les 1er thermiques et avec le poids de la flotte, ça va monter moins vite …

– La chaleur pompée au sol, ou pensez-vous qu’elle aille ? Ma question qui se voulait perfide fait un bide. La thermodynamique au déco, ça passe pas.

Que je ne prise pas nos beaux modèles thermiques, avec leurs spirales tracées au compas, c’est ok j’accepte d’en débattre, mais ce matin-là, les orages ont rincés les bases de la thermodynamique, presque 4 siècles de travail scientifique. En y réfléchissant, leur réaction mainte fois entendue, soulève des points intéressants.

Il est admis que le sol en absorbant le rayonnement solaire, réinjecte ainsi l’essentiel de l’énergie qui met en mouvement la couche limite. Comment passer des rayons du soleil à la pompe qui nous monte aux barbules. D’un rayonnement électromagnétique, au travail mécanique de la poussée d’Archimède.

La température

Un système, même macroscopiquement au repos, est constitué de particules (atomes, molécules, ions) qui sont perpétuellement en mouvement. A l’échelle moléculaire, il s’agit soit de mouvements désordonnés dans le cas des liquides ou des gaz, soit pour les solides, d’oscillations autour d’une position d’équilibre, de rotation, ou des déformations pour de grosses molécules.

A cette échelle une particule par ex. une molécule n’a pas de température elle ne possède qu’une énergie cinétique, la température ne se conçoit qu’à l’échelle macroscopique pour en ensemble de molécules, elle est alors proportionnelle à la somme des énergies cinétiques moyenne des molécules.

A tout moment, certaines molécules se déplacent plus vite que d’autres, il y a une distribution des vitesses (loi de distribution de Maxwell), mais plus le mouvement de l’ensemble est rapide, plus l’énergie cinétique moyenne est grande, plus la température est élevée. C’est l’énergie cinétique (E=1/2mv²) – et non la vitesse – (pour être précis, on doit utiliser la vitesse quadratique moyenne) – qui est proportionnelle à la température.

Cette précision amène une remarque : les molécules de diazote, de dioxygène, et d’eau contenues dans un même volume d’air sont à la même température, elles possèdent donc la même énergie cinétique moyenne, elles n’ont donc pas la même vitesse moyenne. Les molécules d’eau sont plus légères, elles  doivent se déplacer plus vite pour avoir la même énergie cinétique que les molécules de d’azote ou d’oxygène.

Poussière d’étoile

Dès qu’il est question d’énergie, il est bon de rappeler un des principes fondamentaux de la physique : la conservation de l’énergie.

L’énergie totale d’un système isolé est invariante au cours du temps. L’énergie passe d’une forme à une autre durant le déroulement du phénomène, sans création ni disparition. De changement de forme en changement de forme, l’énergie de notre bulle nous vient du …  big-bang. Pourquoi s’arrêter en si bon chemin? Parce qu’au-delà de cette limite, notre ticket n’est plus valide, cette loi ne s’applique plus.

Certes, 13, 14 milliards d’année c’est loin de nos humilis. Aujourd’hui les formes d’énergie qui meuvent l’univers à son échelle sont l’énergie cinétique et la gravité. 

Dans notre “planétarium”, c’est l’effondrement gravitationnel qui est la source de la  production de l’énergie nucléaire du soleil. Au cœur de notre étoile, la pression est colossale (densité 150 tonnes/m3) la matière est sous forme de plasma (soupe d’atomes baignant dans leurs électrons) les noyaux d’hydrogène (proton) sont si proche qu’il leur arrive de franchir la barrière coulombienne pour fusionner. Cette fusion déclenche des réactions nucléaires de fusion en chaîne pour aboutir à de l’hélium, des neutrinos et des photons, le tout en émettant une énorme quantité d’énergie (rayon gamma). Cette mécanique interne entretient la température des couches de surfaces du soleil, dans les 6000°C. C’est le rayonnement qu’elles émettent qui nous concerne. Le soleil est une machine thermodynamique qui essentiellement transforme de la masse en énergie et qui nous balance des particules (vent solaire, neutrinos) – aux barbules on s’en fout – et du rayonnement électromagnétique.

Vibration et liaison chimique

On peut considérer une molécule comme un assemblage d’atomes liés par des forces interatomiques dépendant des positions relatives des noyaux des différents atomes.

Dans le cas le plus simple d’une molécule diatomique comme le diazote, on se représente la molécule comme deux boules liées par un ressort, dont la force de rappel est caractérisée par une énergie potentielle  fonction de la distance entre les centres des boules. Cette image sous-entend que le cortège électronique qui entoure les noyaux suit instantanément, éventuellement en se déformant, le mouvement des noyaux. Il s’agit d’une approximation (approximation de Born-Oppenheimer) valable parce que les vitesses moyennes typiques de déplacement des noyaux sont très petites devant les vitesses moyennes typiques des électrons. La force de rappel, qui caractérise la liaison chimique entre les atomes est essentiellement assurée par le cortège électronique. Ecartés de cette position d’équilibre, les atomes effectuent des oscillations qui s’identifient à la fréquence d’oscillation de la mécanique classique, la longueur d’onde des photons associés à ces oscillations entre dans le domaine de la gamme “infrarouge moyen”.

Dans les molécules de plus de 2 atomes existent des mouvements d’encore plus basse fréquence correspondant à des oscillations de torsion ou de pliage pour lesquels les forces de rappel sont moins importantes et où ce sont des groupements de plusieurs atomes qui se déplacent simultanément.

Toutes ces fréquences sont caractéristiques pour chaque molécule et pour  chacune de leur géométrie, la “spectroscopie infrarouge” qui mesure ces fréquences est un excellent outil pour l’analyse chimique et l’investigation fine de la matière.

On comprend maintenant pourquoi dans le spectre des longueurs d’onde visible et au-delà, la couche limite interagit peu avec le rayonnement solaire, les fréquences sont trop rapides, par contre le sol renvoie une partie du rayonnement solaire qu’il absorbe, sous forme de rayonnements infrarouges lointains (dans la plage 8 – 13 μm principalement, correspondant au « rayonnement du corps noir » pour la température du sol). Ce sont ces fréquences qui interagissent fortement avec nos molécules atmosphériques. C’est ” l’effet de serre” bien connu. C’est intéressant pour notre culture mais ce n’est surement pas ce qui déclenche et entretient nos thermiques.

Je ne suis pas encore à enrouler aux barbules, je suis à genoux dans la plaine à mater le sol, c’est notre interface qui transforme l’énergie solaire électromagnétique, en énergie cinétique. Ce matin-là, c’est dans un champ à la terre bien trempée, ou pousse de l’orge.

Vu du plaf c’est lisse, à genoux c’est bien rugueux, à l’échelle moléculaire c’est labyrinthique et caverneux, des cristaux minéraux, des déchets organiques  de l’eau (liquide), des feuilles qui “respirent”, le tout baignant dans notre bain azote, oxygène, eau (gaz), CO2 etc… un méga-ultra-giga-terra-flipper: kickers, bumpers, flipper c’est tout ce qui est solide , ils absorbent les photons du rayonnement solaire, en vibrant, en tournant sur eux même ou en se déformant, leurs vibrations propulsent les molécules des fluides (liquide et gaz) avec d’autant plus d’énergie que la température augmente, au fur et à mesure ces molécules  acquièrent de la vitesse, les plus énergétiques s’échappent du sol (vaporisation de l’eau) ou de la zone de contact air /sol, et transportent et échangent  leur énergie cinétique dans notre couche limite. Pour cela, la flotte est un excellent vecteur, cf ma remarque précédente sur la vitesse des molécules d’eau comparée celles de l’azote ou de l’oxygène , elles se “libèrent” de ce fait plus facilement de l’étroite  couche de contact entre le sol et l’air. L’albedo d’un limon argileux humide est estimé à 0,11 pour le même limon sec  la valeur monte à 0,18. Si le sol humide réfléchit moins de rayonnement solaire, c’est qu’il en absorbe plus, la partie absorbée du rayonnement est sa partie convertie en énergie cinétique.

Vous trouverez dans ce fichier – Régime thermique du sol – pdf d’un cours de physique des sols de l’Ecole Polytechnique de Lausanne, les équations qui modélisent l’interface entre le sol et la masse d’air.  

 

Un sol mouillé nous est donc bien plus favorable qu’un sol sec. Il nous reste en réserve “l’effet Kiss Cool”. Mon 2ème point et non des moindres :

Le terme thermique que nous employons pour nommer nos pompes est trop restrictif, et nous limite dans nos analyses des mouvements verticaux dans la couche limite, au seul critère calorifique. «Les thermiques déforment les champs de température et d’humidité dans la CLA (Couche Limite Atmosphérique) et créent ainsi des structures de longueur caractéristique différente suivant le champ étudié». Ainsi, De Roode et al. (2004) montrent à l’aide de simulation numérique que les structures en vapeur d’eau sont plus larges que celles en température. – Le pdf est disponible ici –

Dans l’ensemble des travaux de recherche, menés pour modéliser la structure et le comportement de la CLA, entre l’ascendance et le milieu environnant sont mesurés les variations de température et d’humidité. Ce sont ces 2 critères qui sont conjointement retenus pour différencier la structure thermique de la masse d’air environnante. En ne prenant en compte qu’1 seul des 2 critères, la détermination des zones ascendantes donne des résultat différents, le diamètre de l’ascendance est plus grand si elle est caractérisée par son humidité que si elle l’est par sa température.  Cela implique qu’une partie du volume de l’ascendance monte alors que sa température est au moins égale à celle du milieu environnant.

Des gaz majeurs qui composent l’air, la vapeur d’eau (masse molaire de l’eau : 18 g/mol) est la moins dense. En gros, 78% de l’air est du diazote (28 g/mol), 21 % du dioxygène (32 g/mol), sous forme de gaz dans les conditions normales ils occupent le même volume 22,4 l/mol. Le rapport de mélange dans nos bulles reste constant lors de leur ascension (“en gros”, le sujet ici n’étant pas la dynamique de la CLA, il est inutile d’aborder ici les échanges thermique/masse d’air, par entrainement et détrainement).  Par contre elles sont confrontées à de l’air de plus en plus sec en montant, le rapport de mélange dans la masse d’air décroit avec l’altitude, la flottabilité de nos bulles augmente.

Pour en rajouter une couche, voici un extrait de l’excellent tuto de Jean Oberson sur l’emagramme : «  Wallington, un physicien et vélivole australien, pense que c’est le surplus de vapeur d’eau, plus légère que l’air sec, qui assure l’ascension de la bulle thermique à quelques centaines de mètres au-dessus du sol. En effet, même dans un thermique bleu où le point de condensation n’est pas atteint, l’humidité dans l’ascendance augmente avec l’altitude selon les lignes des rapports de mélange alors que dans l’air ambiant l’humidité a tendance à diminuer ». La formule est tout de même un peu radicale. Derrière ces propos “provoc”, point l’exaspération du gars qui en a marre des fadaises.   

 

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Un dernier argument : vous trouverez sur cette capture d’écran tirée d’un cours sur la convection thermique orageuse édité par Météo France, page 36, le calcul de l’augmentation de la flottabilité d’une particule d’air à 27° C, apporté par 5g de vapeur d’eau par kg d’air sec.

 

 

Nos pompes n’embarquent pas la flotte dans leurs valises, comme nous les bouteilles de Cristaline dans la sellette. “L’eau n’est pas lourde et ne freine pas les thermiques”, “c’est même léger et ça les accélère” Reste encore la 3eme lame : le changement de phase de l’eau, la libération de la chaleur latente etc. etc. etc. Le vol dans les nuages n’est ni conseillé, ni autorisé… En tout cas, la modification de champ de pression induite dans le cumulus par la libération de la chaleur latente, devrait nécessairement augmenter la vitesse du flux sous-jacent qui le génère…  C’est bon j’en reste là, c’est un autre débat.

 

Pour les curieux :  Fleur Couvreux, Variabilité de la vapeur d’eau de la couche limite convective continentale, 2005

 

j jacques – 30 juin 2018