Humidité de l'air
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- Publication : vendredi 11 juillet 2008 08:22
- Écrit par Anabel Brita et Martin Gassner
L’humidité de l’air est un concept simple. Il recouvre pourtant des aspects difficiles à comprendre. L’air humide est-il moins lourd que l’air sec ? Essayons de répondre à quelques questions autour de ce concept.
L’air sec est une caractéristique essentielle de l’annonce d’une bonne journée de vol. La base est élevée et les cumulus restent modestes. Plus l’air est empreint d’humidité, plus la base s’affaisse et plus les formations de cumulus dans le ciel prennent une extension inquiétante, tournant au surdéveloppement, voire à l’orage. Le contenu en humidité de l’air a une influence déterminante sur l’évolution du temps.
Définition de l’humidité
Le glossaire de MétéoSuisse (seulement allemand/italien) et celui de Météo France définissent l’humidité comme le contenu en vapeur d’eau de l’air et parlent dans ce contexte d’humidité absolue ou spécifique, de rapport de mélange, de pression de vapeur saturante, d’humidité relative et de point de rosée. Sur le plan de la physique, l’humidité absolue (mesurée en gramme par mètre cube d’air, g/m3), l’humidité spécifique et le rapport de mélange (en gramme de vapeur d’eau par kilo respectivement d’air humide et d’air sec, g/kg) sont des notions faciles à comprendre. Mais pour l’usage quotidien, elles restent obscures. Que signifie par exemple un contenu en vapeur d’eau spécifique de 10 g/kg d’air?
Humidité relative
10 g/kg d’air, est-ce beaucoup ou peu? L’humidité relative permet de le préciser, car elle indique le rapport entre le contenu en humidité effectif et maximal possible. L’illustration 1 donne la courbe de l’humidité spécifique à saturation en fonction de la température. On voit que l’air chaud peut absorber davantage d’humidité que l’air froid. Plus la température monte et plus la quantité absorbée est importante. A 13,5 °C, l’air au niveau de pression 1000 hPa peut emmagasiner au maximum 10 g de vapeur d’eau par kg d’air humide. Il est saturé à 100%. Si l’air était à 20 °C, il absorberait 15,3 g et serait saturé à 65%. A 30 °C, l’air pourrait absorber 28,9 g et l’humidité relative ne serait plus que de 35%, donc très sec.
Air lourd
«Insupportable, ce temps lourd!», se plaignent beaucoup de gens lors de pesantes journées d’été. Que signifie un «temps lourd», au fait? Consultons le glossaire de Météo France: «Chacun a déjà vécu cette sensation inconfortable d’oppression provoquée par certains états de l’atmosphère, notamment à l’approche de l’orage. Ces états, que l’on qualifie justement de temps lourd, sont principalement dus à l’occurrence simultanée d’une température et d’une humidité élevées.» P. ex. 20 °C et 80%, 25 °C et 65%, 30 °C et 45%. Dans un air sec, l’eau s’évapore plus rapidement que dans un air humide. L’effet de refroidissement dû à l’évaporation de la sueur est ainsi plus sensible. Par forte humidité, la sueur ne s’évapore que lentement et l’effet de refroidissement est restreint. Simultanément, l’air ambiant brûlant réchauffe le corps, qui réagit en produisant une sueur plus abondante. Dans un air lourd, elle perle sur le front, sensation désagréable.
Illustration 1: Courbe de l’humidité spécifique à saturation.
Illustration 2: Courbe de la pression de vapeur saturante en fonction de la température.
Poids de l’air
Revenons à l’humidité spécifique. L’unité utilisée pour l’exprimer conduit tout naturellement à se demander quel volume peut absorber un kilogramme d’air ou, si l’on aborde le problème dans l’autre sens, combien pèse 1 m3 d’air? L’air sec est composé à 78,09% d’azote, à 20,95% d’oxygène, à 0,03% de dioxyde de carbone et à 0,93% de gaz nobles. Se fondant sur les lois de la physique, on peut calculer les volumes et poids de chacun de ces composants. Leur somme donne le poids spécifique de l’air sec. A une température de 20 °C et une pression d’air de 1000 hPa, 1 m3 d’air sec pèse 1,188 kg. On sait par l’expérience que l’air chaud est plus léger. Dans des conditions identiques, 1 m3 d’air à 21 °C pèse encore 1,184 kg et à 25°C encore 1,168 kg. A chaque réchauffement de 1°C, le poids de l’air diminue de 4 g, donc de 20 g si la température s’accroît de 5 °C. Etonnant que des différences si minimes puissent produire de solides ascendances! Voyons maintenant l’influence du contenu en humidité sur le poids de l’air. Si l’air à une pression de 1000 hPa et une température de 20°C contenait 10 g/kg de vapeur d’eau, 1 m3 pèserait 1,181 kg, soit 7 g de moins que l’air sec. S’il contenait 11 g/kg de vapeur d’eau, 1 m3 pèserait 1,180 kg et l’air serait encore plus léger d’un gramme. Certains prétendent qu’on peut capter des ascendances au-dessus d’un pré fraîchement fauché. Peut-être que le poids moindre de l’air ainsi humidifié explique en partie ce phénomène. On sait que l’évaporation de l’eau utilise davantage d’énergie que si l’air était réchauffé directement.
Pression de vapeur saturante
On vient de le voir, l’air est composé de divers gaz. La pression de l’air peut être répartie en pressions partielles des différents gaz. Ainsi la pression partielle de l’oxygène dans une masse d’air sec au niveau 1000 hPa est de 209,5 hPa. Dans un air humide, la vapeur d’eau joue aussi un rôle dans la «pression totale» de l’air. Chacun de ces gaz peut être pris isolément, car ils n’ont pas d’influence les uns sur les autres dans leurs propriétés physiques. Contrairement à certains gaz, l’eau dans l’atmosphère se présente sous l’état liquide, solide ou gazeux. Changeant constamment d’état, les molécules d’eau passent de l’état liquide à l’état gazeux et inversement ou, par basses températures, de l’état solide (glace) à l’état gazeux et inversement. Si la pression dans la vapeur d’eau est trop basse, une plus grande quantité de molécules quittent l’état liquide que dans le changement d’état inverse: l’eau s’évapore. Si la pression est trop élevée, davantage de molécules passent de l’état gazeux à l’état liquide: la vapeur d’eau se condense. Lorsqu’une même quantité de molécules passent d’un état à l’autre, la phase vapeur et la phase liquide sont en équilibre. La pression dans la vapeur d’eau est alors appelée pression de vapeur saturante ou, plus brièvement, pression de vapeur.
Point d’ébullition
Dès que la température s’élève, les molécules d’eau acquièrent davantage d’énergie pour quitter l’état liquide. L’équilibre état gazeux/état liquide est rompu au bénéfice de l’état gazeux. Par conséquent, la pression de vapeur saturante croît elle aussi avec la température. Cela explique pourquoi l’air chaud peut absorber une plus grande quantité d’humidité. L’illustration 2 monte la courbe de la pression de vapeur d’eau saturante en fonction de la température, appelée aussi courbe des pressions de vapeur.
Si la température baisse au point que la pression de vapeur dépasse la pression totale de l’air, l’eau se met bouillir. De la vapeur se forme pas seulement à la surface, mais également à l’intérieur de la phase liquide sous forme de bulles. L’eau bout à 100 °C uniquement au niveau de pression 1000 hPa. A 1500 m d’altitude, où la pression de l’air n’est que de 850 hPa, l’eau bout déjà à 95°C.
Point de rosée
En général, l’air n’est pas saturé de vapeur d’eau. Si la température chute au point que la pression de vapeur saturante dépasse la limite inférieure, l’eau en excès se condense et dépose de la rosée ou s’étend en un brouillard. C’est pourquoi on appelle point de rosée la température à laquelle la pression de la vapeur d’eau correspond à la pression de vapeur saturante. Si la température de l’air et le point de rosée sont identiques, l’humidité relative de l’air est égale à 100%. Le point de rosée ne peut jamais être supérieur à la température de l’air! Il ne peut y avoir de sursaturation de l’air en humidité. Si la température de l’air descend au-dessous du point de rosée, l’humidité se condense sous forme de gouttelettes d’eau.
Anabel Brita et Martin Gassner
Article repris avec autorisation du magazine SwisGLIDER de la FSVL. Tous droits de reproduction interdits.
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