L'humidité

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Publication : lundi 15 mars 2010 14:48

Écrit par Martin Gassner

L'air peut contenir une grande quantité de vapeur d'eau par températures élevées et infiniment peu par températures basses. En se chargeant de vapeur, l'air gagne de l'énergie; celle-ci sera libérée par la suite aux endroits favorables à la formation de pluies, de grêle et de neige. C'est de cette même énergie que les tempêtes tirent leur force. Un orage au souffle violent d'une bête enragée et ignivome se prépare... Vite! Il faut regagner le sol et plier l'aile avant que ses vilaines rafales ne s'en emparent et que la pluie torrentielle ne s'abatte sur le sol. Pourvu que les grêlons ne percent pas la voilure du delta! Un orage de taille moyenne libère environ autant d'énergie que la centrale nucléaire de Gösgen en deux jours lorsqu'elle tourne à plein régime.

D'où l'orage prend-il son énergie? La réponse est simple: de l'humidité. De l'eau dans l'atmosphère La concentration du gaz invisible qu'est la vapeur d'eau varie fortement d'un endroit à l'autre et aussi d'un moment à l'autre. Dans les régions tropicales chaudes, elle peut représenter jusqu'à 4% des gaz de l'atmosphère à proximité du sol, alors qu'en régions polaires froides, sa concentration se réduira à celle d'un gaz de trace. La quantité maximale de vapeur d'eau, que peut contenir l'air, dépend fortement de la température. La courbe du schéma 1 montre que l'air, par une température de 30°C, peut contenir 29 grammes de vapeur d'eau par kilogramme d'air. Si la température descend à 10 °C, elle ne pourra contenir plus que 8 grammes au maximum et par -10°C juste encore 1,6 grammes.

Rapport de mélange, humidité relative, point de rosée
Le nombre de grammes de vapeur d'eau par kilogramme d'air (unité g/kg) indique l'humidité spécifique. Il existe encore d'autres unités de grandeur servant à déterminer l'humidité. Le rapport de mélange indique le nombre de grammes de vapeur d'eau par kilogramme d'air sec. Elle ne se différencie que très peu de l'humidité spécifique. L'humidité relative est la plus employée. Elle exprime le rapport entre la quantité d'humidité dans l'air et la quantité maximale possible. Si l'air contient 4 g/kg de vapeur d'eau par une température de 10°C, alors qu'elle pourrait en contenir 8 g/kg au maximum, l'humidité relative sera de l'ordre de 50%. Si l'on examine la courbe de saturation de l'humidité spécifique, on remarquera que l'humidité relative dépend fortement de la température. Si de l'air à 4 g/kg est échauffé jusqu'à 30°C, l'humidité relative descendra à 13,8%. Si au contraire, il est refroidi, l'humidité relative augmentera et atteindra 100 % par 0,5° C. La température, à laquelle la vapeur d'eau commence à condenser est aussi utilisée comme une donnée de mesure de l'humidité. Elle est appelée point de rosée.

Comment mesure-t-on l'humidité?
L'instrument servant à mesurer l'humidité, en général, est appelé hygromètre, bien que ce terme cache des principes très différents les uns des autres. L'hygromètre à absorption, par exemple, repose sur celui de l'augmentation de poids de substances hygroscopiques (qui ont tendance à absorber l'humidité de l'air). Le cheveux a aussi souvent été utilisé, puisque sa longueur varie fortement en fonction du degré d'humidité. Les hygromètres d'appartement contiennent fréquemment des ressorts spiraux plaqués qui se resserrent ou se détendent. Chez certains ballon-sondes, c'est la conductibilité électrique de substances qui varie sous l'influence de l'humidité. Un instrument particulièrement précis et largement employé est l'hygromètre à point de rosée. Il a été développé dans le département de recherche de l'ISM et fonctionne de la manière suivante: un petit miroir est refroidi jusqu'à ce qu'il se couvre de buée; sa température à ce moment-là correspond exactement au point de rosée. Tout le réseau de mesure automatique de l'ISM a été équipé de ces miroirs. Une autre méthode, également précise, est celle du psychromètre. Elle repose sur le fait que l'eau s'évapore plus rapidement par air sec que par air humide. L'humidité de l'air est d'autant plus grande que la différence de température entre deux thermomètres, dont l'un est recouvert d'une fine gaze humide, est petite.

Chaleur latente
L'humidité qui s'évapore de la gaze retire de la chaleur au thermomètre. Cette chaleur ne disparaît pas comme on serait tenté de le croire, mais pénètre dans l'atmosphère sous forme de chaleur latente. Ce qui a lieu ici à petite échelle, se produit globalement à une dimension infiniment plus vaste, notamment au-dessus de la mer. L'atmosphère à ces endroits absorbe beaucoup d'humidité et, par là, beaucoup de chaleur latente qui est déplacée sous l'action du vent. L'humidité prélevée se condensera de nouveau à un autre endroit et, ce faisant, libérera l'énergie calorifique. Environ la moitié de l'énergie qui transite dans l'atmosphère de l'Equateur aux Pôles est transportée sous forme d'énergie latente. L'air absorbe également beaucoup d'énergie latente au-dessus d'un sol humide, à la suite d'une journée pluvieuse ou au-dessus d'une contrée marécageuse, ce qui retarde ou peut-être même entrave totalement le développement de la convection. Le phénomène est très prononcé, lorsque l'air est très sec et peut absorber beaucoup d'humidité, tout particulièrement par températures élevées. C'est une des raisons pour laquelle, outre la faible de l'air, on peut en général espérer une meilleure convection dans les Alpes qu'en plaine. Une bulle thermique qui s'élève dans l'atmosphère se refroidit d'un degré Celsius par tranche de 100 m. Dès que sa température atteint le point de rosée, l'humidité qu'elle contient commencera à condenser et la chaleur latente accumulée antérieurement se dégagera progressivement. Dès lors, en fonction de la température, l'air ne se refroidira plus que de 0,5° à 0,9 °C par tranche de 100 m. Quelques valeurs sont indiquées dans le tableau à gauche.

L'orage
Les tempêtes accompagnées d'éclairs et de tonnerre tirent leur violence de l'énergie latente dont est chargée l'atmosphère par journée chaude et lourde. Elles aspirent l'air du sol et l'acheminent jusqu'à une altitude de 10 km où il est refroidi jusqu'à -50 °C, si bien que toute sa teneur d'eau se transforme en grêlons et pluies. La courbe du schéma 2 montre de combien l'air devrait être réchauffé pour que toute son humidité se condense. Une centrale nucléaire devrait travailler plusieurs jours consécutifs pour produire les quantités d'énergie déployées par un orage.

Martin Gassner

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Article tiré du magazine SwisGLIDER de la FSVL avec autorisation pour Wikidelta.
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