Mécanique du climat

ARC-2301

Climat et physique du bâtiment

Notes de cours No 1 Mécanique du climat
Ce cours d'introduction à la climatologie et à la mécanique du climat est, pour la plupart d'entre vous, le premier cours que vous avez sur cette matière. Ce sera aussi, pour la grande majorité le dernier. Or, l'importance des implications du sujet traité sur l'architecture est telle que, malgré le peu de temps dont nous disposons pour en discuter, nous tenons à ce que ce cours fournisse en plus d'une compréhension générale des phénomènes que nous analyserons, des outils de base qui vous permettront , dans vos projets, de composer avec cet important facteur qu'est notre climat.
Un climat, d'ailleurs, rude dont la connaissance est à la source d'un gaspillage énergétique important. La reconnaissance de ces caractéristiques et des implications architecturales que cela entraîne serait, par contre, l'assise du développement d'une architecture qui nous serait propre et participerait à notre identité culturelle.
Claude Parisel (révision Giovanni De Paoli, automne 2000)
Milieu physique et climat
Le mouvement de la terre autour du soleil, le balancement de son axe, règlent la quantité d'énergie que reçoit chaque région de la terre en rayonnement solaire.
On enregistre des moyennes de différences de température annuelles allant de quelques degrés à l'équateur jusqu'à 40 C en Russie.
Ces variations dans la distribution du rayonnement solaire à la surface de la terre suivant les régions, les saisons, les journées sont à la source des différences dans l'échauffement de l'atmosphère et de ce fait des grands systèmes de vents et de la répartition des précipitations. Ces actions combinées de la température, des vents, et des précipitations règlent ce que l'on appelle le climat. Il peut se catégoriser en :
. Climat chaud et humide, au Brésil, en Afrique équatoriale et en Indonésie.
. Climat chaud et aride, au Mexique, en Afrique du Nord, en Arabie et en Australie.
. Climat tempéré, à l'est des USA, en Europe, aux Balkans, dans une partie de la Chine et au Sud de l'Amérique du Sud.
. Climat froid pour le Nord des USA et le Canada et une bonne partie de la Russie et de la Chine.
Ces climats si différents permettent d'éclosion d'une végétation toute aussi différente, végétation qui est de base alimentaire d'une faune variée. Climat, flore et faune, propre à chaque région de la terre a favorisé ou défavorisé l'établissement humain. On peut voir en effet que les premiers établissements humains ont vu le jour dans les régions à climat tempéré. Même la répartition de la densité de la population mondiale actuelle montre la difficulté qu'il y a à s'établir dans les régions aux climats extrêmes, désertiques ou polaires.
Si on considère une espèce vivante comme un système, on peut dire qu'à chaque modification dans l'environnement, le système doit se modifier pour garder un état stable, cette modification étant un événement dans un processus que l'on appelle "adaptation". Mais un système ne peut répondre qu'à l'intérieur de certaines limites spatiales ou temporelles. Si une force agit trop durement, qu'un changement s'effectue trop vite ou que trop de conditions changent à la fois, le système ne peut plus s'adapter!
La nature fournit beaucoup d'exemples de mode d'adaptation, chaque mode étant d'ailleurs restreint à des limites :
- L'adaptation intrinsèque.
Chaque organisme vivant peut répondre à une certaine variation des conditions de son environnement par une modification interne comme l'accélération ou le ralentissement de la circulation sanguine. La chauve-souris par exemple peut survivre à de variations de la température de son corps allant jusqu'à 30 C.
- L'adaptation par changement d'état.
L'adaptation aux variations des conditions de l'environnement peut se faire par une modification de l'état d'un système. Le gazon, par exemple, ne peut survivre sous sa forme verdoyante à l'hiver, aussi il meurt pour renaître au printemps. L'ours hiberne en hiver et les animaux du désert renversent leur rythme de vie, se déplaçant la nuit et s'immobilisant le jour.
- L'adaptation par migration.
Le déplacement est un mode d'adaptation très utilisé par les organismes vivants pour survivre, tant par les oiseaux comme les oies, que par les hommes comme les nomades.
- L'adaptation par construction.
C'est évidemment celui qu va nous intéresser le plus. Un organisme ne pouvant survivre aux variations de son environnement va chercher à les atténuer pour ramener ces variations à des limites acceptables par une construction. Certains nids d'oiseaux, par exemple, sont dans des pays très chauds, construits en colonne et assez semblables à une tour-appartement. Chaque ouverture est un nid individuel à deux chambres, une pour l'entrée, l'autre pour couver. Cette forme permet de réduire la prise aux rayons solaires verticaux du midi, minimise les effets de la pluie, bénéficie des vents rafraîchissants. D'autres sont établis sous terre, la terre servant de masse thermique pour ralentir les gains et pertes de chaleur et assurer des conditions internes plus stables. Certains nids de thermites, en Afrique, sont des constructions immenses en forme de couteau orientées Nord-Sud, de façon à recevoir le soleil d'Est et d'Ouest afin de stabiliser la température intérieure. Elles possèdent de plus une grande masse thermique qui a pour effet de régulariser les écarts.
L'homme qui a peu de capacité physique d'adaptation va réussir à survivre par la migration et la construction.
Si on examine les constructions primitives propres à chaque région on ne peut que remarquer le rôle des constructions comme régulateur des variations climatiques.
Par exemple, Pueblo Benito, découvert en 1921 au Nouveau Mexique dans le canyon Chaco est un complexe indien très organisé :
Les habitations sont contiguës de façon à minimiser les pertes de chaleur et en forme de cuvettes orientées au sud. Les murs hauts des côtés contrôlent l'entrée du soleil dans les espaces intérieurs. L'ensemble présente une grande capacité thermique pour régulariser les apports de chaleurs.
Les constructions ont trois étages spécialisés: le rez-de-chaussée, très fermé, pour l'entre passage plus frais, le premier réservé aux chambres et le deuxième plus chaud, aux espaces de vie. La chaleur monte du rez-de-chaussée au deuxième qui est pourvu de mécanismes de ventilation naturelle pour en contrôler le niveau.
Dans le climat chaud et sec du sud-ouest des États-Unis, les indiens Américains ont installés de nombreux villages. Un de ceux-ci, Mesa Verde, est construit à un endroit où l'érosion par le vent et l'eau a formé un retrait dans la falaise. Ces retraits furent des caves naturelles auxquelles se sont adjointes les habitations fort bien défendues ainsi de toute attaque.
Le surplomb sert à couper le soleil d'été, si chaud alors que la falaise est rafraîchie par les brises d'été.
Le roc, grand régulateur de température, dégage donc de la fraîcheur quand la température de l'air est très élevée. Le plateau sert à l'agriculture.
L'hiver, au contraire, le soleil, plus bas pénètre et réchauffe les murs qui accumulent la chaleur et la retransmettent vers les caves la nuit. Le roc lui-même restitue de la chaleur accumulée.
Un dernier exemple qui nous touche de plus près est certainement celui des esquimaux. L'igloo est d'ailleurs sur une base purement théorique, le meilleur abri pour les conditions climatiques qui prévalent dans l'arctique. La forme hémisphérique procure le maximum de stabilité structurale, le minimum d'obstruction aux vents arctiques et expose le moins de surface à leur effet glacial. En même temps, elle a le mérite d'enclore le maximum d'espace pour le minimum de structure. Elle permet, enfin, un chauffage efficace par la simple source ponctuelle de chaleur radiante que représente la lampe à huile, aussi bien que par la chaleur corporelle dégagée par les inuits. Normalement l'igloo est une structure temporaire qui est utilisée pour une nuit, au plus un mois, s'adaptant ainsi aux besoins de la chasse et de la migration. Cependant, les inuits de l'île de Baffin ont élaboré des igloos saisonniers de plusieurs unités interreliées par des tunnels et des blocages pour l'air, servant pour la nourriture, l'entreposage, les chiens et l'équipement. Les conditions climatiques sont tellement extrêmes que l'habitat est plus crucial que la nourriture.
En réponse à ces conditions extrêmes, l'inuit fait très attention au site. Il choisit toujours les endroits les plus abrités en autant qu'il peut en trouver. L'orientation de l'entrée est très étudiée en fonction des vents dominants. Elle s'ouvre au côté contraire au vent ou, souvent, à 450 avec la direction de celui-ci de façon à éviter sa pénétration dans l'igloo, tout en mettant à profit sa force pour la garder libre d'accumulation de neige. Si pour d'autres raisons, on ne peut bien l'orienter, elle est alors protégée par un mur bas, en blocs de neige qui dévie le vent de l'ouverture du tunnel.
Ces structures sont d'ailleurs construites de façon très ingénieuses. La façon de construire permet, en effet, de monter un dôme sans échafaudages.
Le dôme n'est pas construit de rangs parallèles, mais formé d'une spirale continue, chaque bloc étant un peu plus incliné que le précédent. Après montage, les joints sont fermés avec de la neige pressée dans les fissures et l'ensemble devient une seule pièce très résistante.
La chaleur accumulée dans le haut de l'igloo fait fondre légèrement la neige qui se re- solidifie en glace et scelle l'ensemble, évitant toute pénétration du vent.
Le contrôle de la température intérieure tient compte de plusieurs facteurs:
1. Le matériaux.
La neige des blocs, très sèche, de 150 à 200mm d'épaisseur est un excellent isolant. Les inuits de l'île de Baffin d'ailleurs, y rajoutent une tente intérieure pour mieux conserver la chaleur et permet d'atteindre 6-8 degrés au-dessus du point de congélation.
Sans toile intérieure, la température de l'igloo ne peut dépasser que de quelques degrés le point de congélation sous peine de faire trop fondre la neige.
2. La forme générale.
Les gradients de température dus au fait que l'air chaud a tendance a monter et l'air froid à descendre sont parfaitement contrôlés. La forme légèrement surbaissée du dôme permet de vivre dans des couches d'air plus chaudes que si le dôme avait une forme plus élancée.
L'entrée du tunnel d'accès est toujours plus bas et sert de cuvette à l'air froid. Aussi la neige et la forme sphérique favorisent la réflexion de la chaleur.
3. Le chauffage.
Enfin la lampe à huile et la chaleur du corps fournissent la source de chaleur nécessaire.
Par sa forme, sa construction, ses matériaux, son orientation, cette construction permet d'équilibrer naturellement les écarts dans les conditions climatiques et de se rapprocher avec une dépense énergétique minimum des zones de survie sinon de confort à l'intérieur desquelles le système humain peut s'adapter.
Dans le climat un peu moins rigoureux des régions côtières de l'Alaska, les inuits ont construit des habitats permanents en terre montrant des adaptations intéressantes des principes de l'igloo. L'ensemble est d'abord complètement recouvert de terre afin d'assurer le maximum d'isolation, mais c'est l'accès qui est particulièrement ingénieux.
Tous ces habitats jouent un rôle de régulateur naturel des conditions climatiques.
Si les civilisations primitives savaient composer avec les forces du climat par nécessité, l'homme moderne a remplacé l'ingéniosité des constructions par un apport d'énergie: "S'il faut froid, on chauffe, s'il fait chaud on refroidi, si c'est sec on humidifie, etc...".
Des sources d'énergie inimaginables pour l'homme primitif ont été à la source d'une architecture "internationale". Les archétypes des sociétés industrialisées, comme ........ d'habitation sont importés dans des climats aussi bien désertiques que froids et les modèles de maisons californiennes envahissent le marché canadien et mettent à la mode les grandes baies vitrées. Des modèles traditionnels qui seraient encore très utiles comme les volets sont réduits à l'état de décoration folklorique.
La consommation d'énergie, tant pour chauffer que pour refroidir compense ces déficiences.
La consommation d'énergie ne peut donc qu'augmenter à une allure vertigineuse. Mais depuis peu nous nous rendons compte que cette liberté que nous avons prise avec la nature ne peut durer longtemps. Les réserves énergétiques sont limitées et la prise de conscience de ce fait en a fit augmenter le coût. Aussi devons nous arrêter et commencer:
Arrêter de bâtir un environnement qui ne compte que sur la consommation d'énergie pour sauver un climat interne stable.
Commencer à utiliser les composantes du climat, le soleil, le vent, les marées, la chaleur de la terre comme source d'énergie d'appoint pour compléter l'apport à une situation confortable.
Si de tout temps, par un souci d'économie ..... obligatoire d'ailleurs, l'homme a cherché à minimiser, par son établissement, l'impact du climat ce n'est que récemment qu'il utilise les éléments composants du climat comme source d'énergie que l'on appelle les énergies "douces" ou naturelles. On y distingue l'utilisation du rayonnement solaire, l'exploitation des vents sous forme d'énergie éolienne, l'énergie dérivée des précipitations ou énergie hydraulique et enfin l'énergie calorifique de la terre dite énergie géothermique.
L'énergie solaire
Cela comprend toutes les façons de mettre à contribution le rayonnement solaire pour capter, emmagasiner et restituer au moment opportun l'énergie dispensée par le soleil.
On distingue principalement les "concentrateurs" qui utilisent le rayonnement direct comme ce jour solaire qui peut élever 2 litres d'eau de 25 C à 100C en 25 min. au four d'Odeillo capable d'atteindre des températures de 2000C.
Les capteurs plats qui utilisent l'ensemble du rayonnement et servent pour des chauffe-eau des chauffe-air ou des distillateurs solaires.
Enfin l'énergie solaire peut être transformée par des cellules photo-électriques en électricité comme cette pile solaire pour radio ou encore pour alimenter des satellites.
L'énergie éolienne
Le vent quand à lui a été mis à contribution depuis plus longtemps. On a qu'à se souvenir de l'ingéniosité des grands voiliers et de la beauté des moulins Hollandais. Rien que chez nous, quel était le fermier qui n'avait pas son moulin pour pomper l'eau. On en voit encore plusieurs dans nos campagnes que les réseaux d'électricité ont plus ou moins désaffectés.
L'énergie hydraulique
L'énergie hydraulique aussi est connue depuis longtemps. Il nous reste quelques-uns de ces merveilleux moulins à eau de l'époque de nos grands-parents. Cependant la technologie a permis des réalisations d'une toute autre échelle. Les barrages de Manic-Outarde et celui où ceux qui se font à la Baie de James n'ont plus rien de commun avec les vieux moulins.
Les dernières décennies ont vu apparaître un nouveau genre de turbines basées sur les mouvements des marées.
Les usines marées-motrices utilisent des mouvements de marée haute et marée basse pour faire tourner des turbines et produire de l'énergie.
L'énergie géothermique
Enfin, relié de beaucoup plus loin au climat, mais dont on peut quand même mentionner l'existence, l'énergie géothermique est basée sur l'utilisation de la chaleur de la terre qui augmente plus on s'approche du centre à un rythme d'environ 30 C par kilomètres.
De façon naturelle et ceci uniquement en certains endroits elle est récupérée grâce à des sources d'eau chaude, geyser ou autres et servent, en général, au chauffage. Cependant des puits profonds peuvent être fait intentionnellement pour "pomper" cette chaleur. Ce type d'énergie reste encore peu utilisé et inexistant chez nous.
De toutes ces sources d'énergie celles qui nous concernent sont en premier lieu l'énergie solaire qui a un impact direct sur les constructions, les plantes, les serres et dont on peut contrôler l'intimité, la reflection, la pénétration. Ensuite on peut citer l'énergie éolienne que l'on peut contrôler par des constructions et des plantations et que l'on peut utiliser pour nos aménagements. Enfin l'énergie hydraulique par des petits barrages, en récupérant les eaux de pluie etc. en laissant les grands barrages aux spécialistes de ces questions.
LA MECANIQUE DU CLIMAT
Pour agir en fonction du climat, nous devons d'abord, le connaître, le comprendre et l'analyser en terme de conséquences sur l'homme et les bâtiments: nous ne retiendrons du climat que les éléments qui affectent le confort de l'homme et la conception des bâtiments, à savoir:
le rayonnement solaire
le rayonnement de grandes longueurs d'onde vers le ciel
la température de l'air
l'humidité
le vent
les précipitations (eau et neige)
LE RAYONNEMENT SOLAIRE
Le soleil étant à la source ou influençant directement la presque totalité des événements climatiques terrestres, nous devons commercer par analyser ses effets. Pour cela quelques rappels préalables sont nécessaires.
Le soleil est une substance gazeuse, sphérique de 1.390.000 km de diamètre, d'une masse de 2.2 x 10... tonnes (+334.000 fois celle de la terre). La température effective de sa surface est d'environ 5762 K et il émet l'énergie comme un réacteur de fusion thermonucléaire où l'hydrogène se transforme en hélium, au taux moyen de 3.68 x 10 23 Kw. Cette énergie est rayonnée vers l'espace et la terre intercepte une partie de cette énergie qui correspond pour la face éclairée à un apport d'environ 4.5 x 10 16 W/S. On considère, à partir de plusieurs mesures par satellite et autre, que ce rayonnement qui atteint la terre, hors l'atmosphère varie entre 1.8 et 2.0 langley/mn suivant les saisons du soleil suivant une ellipse dont le soleil est un des foyers et la distance terre-soleil varie donc dans l'année. Ce rayonnement est mesuré sur une surface perpendiculaire aux rayons, à la couche limite de l'atmosphère et se trouve donc valide pour toute la terre.
On a adopté comme valeur moyenne dite "constante solaire" 1.94 langley/mn (soit 1.94 cal/cm2/nm) ou 429 Btu/pied carré/heure ou encore 1,353 watts/m2).
Mais si cette énergie disponible est théoriquement la même pour toute la terre, chaque région du globe reçoit effectivement plus ou moins d'énergie et ceci en raison de trois facteurs principaux: l'incidence des rayons, l'épaisseur de l'atmosphère qui doit traverser le rayonnement solaire et la durée de l'ensoleillement. En effet ces facteurs varient suivant la latitude du lieu et le temps considéré en fonction des mouvements relatifs de la terre par rapport au soleil que nous allons rappeler ici ainsi que quelques définitions:
La terre, assimilable à une sphère, possède un axe de rotation définissant les pôles nord et sud. Le grand cercle perpendiculaire à l'axe des pôles en son milieu s'appelle l'Équateur. Chaque lien est défini par la rencontre d'un parallèle et d'un méridien. Les parallèles sont des cercles découpant la terre dans des plans parallèles à l'équateur et sont comptés à partir de celui-ci en degrés de 0 à 90 ver le Nord ou vers le Sud; ils déterminent la latitude. Les Méridiens sont des grands cercles passant par les pôles et sont comptés à partir d'un méridien de référence, le méridien de Greenwich, en heures de 0h à 24h ou en degrés vers l'est ou vers l'ouest de 0 à 180; ils définissent la longitude. La terre tourne autour du soleil suivant une orbite elliptique dans un plan appelé plan de l'écliptique.
L'axe de la terre n'est pas perpendiculaire au plan de l'écliptique mais est incliné d'un angle de 23 27', la déclinaison.
Cette inclinaison définit une série de parallèles particuliers :
Le Tropique du cancer correspondant à une latitude de 230 27' Nord;
Le Tropique du Capricorne correspondant à une latitude de 23027' sud;
Les cercles polaires.
Au cours d'une révolution de la terre autour du soleil, au solstice d'été, le 21 juin, le soleil apparaît à la perpendiculaire de la terre au niveau du tropique du cancer; aux équinoxes les 21 septembre et 21 mars, il apparaît à la perpendiculaire de la terre au niveau de l'équateur; enfin au solstice d'hiver, le 21 décembre, il apparaît perpendiculaire à la terre au tropique du capricorne.
Tout se passe comme si le mouvement apparent du soleil par rapport à la ligne des pôles correspondait à un balancement de cycle annuel entre les deux tropiques et que la déclinaison du soleil variait de + 230 27' à -230 27' en passant par 0
Le balancement apparent du soleil ainsi que la révolution de la terre sur son axe, font que l'incidence et la durée de l'ensoleillement varient suivant les lieux :
Ainsi au solstice d'été, le soleil a un angle d'incidence sur une surface parallèle au sol qui varie suivant les latitudes :
230 27' au pôle Nord
2 fois 230.27' au cercle polaire Nord
90 au Tropique du Cancer
90 - 230.27' à l'Equateur
90 - 2 fois 230.27' au Tropique du Capricorne
0 au cercle polaire Sud
Aucun rayonnement au pôle Sud.
Parallèlement à cela, au cours d'une révolution sur son axe, le pôle Nord jusqu'au cercle polaire est éclairé 24 heures alors que le pôle Sud est dans la nuit permanente. Le tropique du Cancer est ensoleillé plus longtemps que le tropique du Capricorne. Seul l'Equateur a des durées jour/nuit égales.
Evidemment, au solstice d'hiver le phénomène est inversé au profit de l'hémisphère Sud.
La combinaison des deux facteurs, angle d'incidence et durée d'ensoleillement nous explique que l'énergie disponible sur une surface horizontale soit différente en chaque lieu de la terre suivant la latitude du lieu, l'époque de l'année et l'heure de la journée.
Le rayonnement théorique, hors atmosphère, plus ou moins intense suivant la latitude est une émission dont le spectre est divisé en trois régions: - les ultraviolets dont la longueur d'onde est plus petite que 0.4 pi. le visible dont la longueur d'onde se situe entre 0.4 pi et 0.76 et l'infrarouge pour les longueurs d'onde plus grandes que 0.76 pi.
Quand ce rayonnement traverse l'atmosphère sa qualité et sa quantité se modifie par les phénomènes d'absorption, réflexion et dispersion. Le rayonnement, hors atmosphère équivalant à l'émission d'un corp noir Ä 6000 K (température du soleil à sa surface) va donc être modifié par l'atmosphère: la plupart des ultraviolets et toutes les longueurs d'onde plus petites que 0.288 pi sont absorbés par l'ozone une bonne partie des infrarouge sont absorbés par la vapeur d'eau ou le dioxyde de carbone; la partie du rayonnement qui est réfléchie l'est par les nuages et d'une façon non sélective. Enfin une dernière partie est diffusée dans l'atmosphère. Quand le rayonnement frappe des molécules égales où plus petites que sa longueur d'onde elle est réfractée dans l'atmosphère, ce qui lui donne sa luminosité même en l'absence d'ensoleillement direct. C'est donc un phénomène sélectif suivant sa longueur d'onde; les ondes courtes sont plus affectées ce qui explique la couleur bleu du ciel. Par contre si le ciel est chargé de particules de poussières plus grosses, les longueurs d'onde plus longues sont aussi affectées, augmentant la couleur jaune et rouge. Le ciel devient alors plus blanc. L'atmosphère transforme donc la nature et la quantité de rayonnement qu'atteint le sol. On verra donc un changement entre le rayonnement théorique hors atmosphère pour un lieu donné et le rayonnement réel au sol même si on considère l'atmosphère uniforme quelque soit l'endroit.
Ce changement même entre le rayonnement théorique et le rayonnement au sol va varier suivant l'incidence des rayons. Plus on s'éloigne de la verticale à la surface de la terre, plus les rayons solaires ont à traverser d'atmosphère et donc plus ils sont modifiés et réduits. Ceci vient donc renforcer les différences dans la quantité d'énergie qui frappe effectivement le sol terrestre suivant les saisons, les heures de la journée et même si l'on prend une moyenne annuelle, la latitude du lieu.
Le rayonnement direct qui atteint la surface terrestre ainsi que la partie qui se diffuse dans l'atmosphère et rayonne à nouveau vers la terre (rayonnement diffuse) varie beaucoup suivant l'ennuagement, la quantité d'humidité et la pollution de l'air.
Ainsi par jour très couvert on peut avoir 100% de rayonnement diffus alors que par un jour très clair on peut avoir que 15% du rayonnement qui est diffus.
Par temps clair on peut avoir un total de 75% du rayonnement et tomber à 7% par temps couvert. Le microclimat d'une région, son degré d'ennuagement va donc avec son altitude, changer les données que l'on aurait pu calculer étant donné sa latitude et l'époque considérée. Finalement il faut le mesurer.
Les deux rayonnement directs et diffus qui atteignent la terre sont en partie réfléchis directement ou absorbés par la surface. Le type de surface influence le pourcentage de cette énergie qui est absorbée ou réfléchie. Cela peut varier pour des surfaces naturelles de 8% de réflexion à 42% dans des ...... salants.
La partie du rayonnement qui est absorbée par la terre élève sa température jusqu'à 60 C tel qu'enregistré dans le désert. Sa température augmentant elle se met à rayonner vers l'atmosphère, mais dans des longueurs d'ondes beaucoup plus grandes dans l'infrarouge. Le rayonnement est proportionnel à la puissance 4 des différences de température absolue et sur la face émettrice (la terre) et la surface absorbante (l'espace). C'est donc particulièrement la nuit que la terre émet ces rayonnements de grande longueur d'onde. L'atmosphère absorbe et émet de l'énergie radiante mais principalement les ondes courtes du rayonnement solaire, laissant passer les grandes longueurs d'onde vers l'espace. C'est donc une dépréciation naturelle très importante pour la climatisation naturelle. Cependant si l'atmosphère laisse passer normalement ces rayonnements, la vapeur d'eau les absorbe. Ainsi plus l'humidité et l'ennuagement augmentent plus le rayonnement vers l'atmosphère est réfléchi vers la terre et ne peut s'en échapper.
Aussi la perte de chaleur radiante nette est-elle importante lorsque le ciel est clair et sec comme au désert (nuits froides) et faibles par temps nuageux et humides (nuits chaudes).
LES VENTS
- Le cycle de réchauffement et de refroidissement de la surface de la terre dû au rayonnement solaire et terrestre est le principal facteur qui détermine la température de l'air. En effet l'atmosphère laissant passer la grande majorité des longueurs d'ondes des rayonnements ceux-ci n'ont qu'un effet direct très faible sur sa température.
La couche d'air en contact direct avec le sol chaud est chauffé à son tour par convection et la chaleur est transférée dans les couches supérieures par les mouvements de l'air, convection et turbulences. Les courants d'air et les vents amènent de grandes quantités d'air se réchauffer à la surface de la terre.
Durant la nuit et l'hiver, la surface de la terre est plus froide que l'air aussi l'échange se fait-il en sens inverse: l'air vient se refroidir.
Les variations journalières et annuelles de la température de l'air dépendent donc directement des variations journalières et annuelles du rayonnement solaire, par le biais de la température de la surface de la terre.
Or il existe une grande différence entre les capacités d'absorption de la terre et de l'eau. Les surface d'eau sont affectées beaucoup plus lentement que les surfaces de terre par les rayonnements solaires. Aussi la terre est-elle plus chaude en été et plus froide en hiver que la mer à la même latitude, et par voie de conséquence la température de l'air situé au-dessus des terres est-elle plus chaude que la température de l'air au-dessus des océans.
Ceci entraîne des déplacements d'air du plus chaud vers le plus froid connu comme les brises de bord de mer. Ces brises à l'échelle annuelle influencent suffisamment le climat global pour distinguer à la même latitude des climats continentaux aux écarts journaliers et saisonniers plus grands que les climats maritimes.
L'altitude aussi affecte la température de l'air; en effet quand une masse d'air est poussée le long d'une colline et monte, elle va d'une zone de haute pression vers une région de plus basse pression et de ce fait se dilate et se refroidie.
Ce processus de chauffage et refroidissement par la montée ou la descente de l'air s'appelle le processus "adiabatique". Le changement est d'environ 1 C par 100 m. Si on a une montagne l'air frais de la surface est plus chauffé que celui qui est éloigné. Aussi il monte, s'expanse et se refroidi. Durant le jour l'air de la vallée est plus chaud que celui de la montagne et on a une brise qui monte. La nuit, au contraire le refroidissement est plus accentué près du sol créant un courant d'air froid descendant qui y chasse l'air chaud et s'y accumule. En fi de nuit surtout, par ciel clair, on a des poches d'air froid partout ou la topographie du site, lui permet de s'accumuler.
Les effets de la géographie locale sur le micro climat sont donc très importants:
Un exemple, à Toronto, nous montre les gradients de température minimales durant une nuit d'hiver par ciel clair en fonction d'un profil géographique pris perpendiculairement au lac Ontario :
Les plus hautes températures sont enregistrées près du lac, l'air étant réchauffé par les brises de nuit venant du lac, et descendent au fur et à mesure que l'on s'en éloigne. De plus, dans chaque vallée on note une chute importante des températures due à une accumulation d'air froid par les brises de montagnes.
On voit que ces phénomènes combinés d'échange dans les masses d'air peuvent amener, à une échelle locale des différences de températures allant jusqu'à 340F. Enfin, même en territoire plat, on a des phénomènes d'échange d'air importants: durant le jour, l'air près du sol s'échauffe et, de ce fait, monte vers des régions de moins hautes pressions, se dilate et, par voie de conséquences, se refroidi. Il cherche alors à redescendre, se recomprime et se réchauffe. On a donc durant la journée, un échange continuel vertical dans les masses d'air. Durant la nuit, l'air pris du sol se refroidi, surtout par ciel clair et reste là. Le gradient est inversé et l'état stable. Pour avoir cette inversion il faut évidemment de longues nuits, un ciel clair et sec et pas de vent.
Ces échanges à l'échelle locale et journalière se produisent aussi de façon saisonnière à l'échelle du globe, entraînant de grands échanges de chaleur.
Le réchauffement inégal de la terre suivant les latitudes est à l'origine des variations dans la distribution de la pression de l'air, variations qui sont à la source des grands systèmes planétaires de vents et de ces échanges de chaleur.
On peut dire que les vents prennent leur origine dans la distribution inégale du rayonnement solaire sur la terre et plus précisément dans les variations des températures de surface qui en résultent.
Une grande quantité de rayonnements est reçu comme on a vu, par la région équatoriale et l'air se trouve réchauffé au-dessus du niveau des régions adjacentes. Cet air chaud tend à prendre de l'expansion et donc à monter créant une ceinture de basse pression vers laquelle l'air plus froid des régions environnantes se dirige.
Comme la zone de rayonnement maximum varie en fonction du balancement apparent de l'axe de la terre sur l'écliptique, d'un tropique à l'autre, la ceinture de basse pression se déplace suivant les saisons.
La terre absorbant plus de rayonnements que l'eau, la localisation des terres et des mers va déterminer pour ces latitudes et particulièrement dans l'hémisphère Nord, les zones de température maximum et donc de plus basses pression.
Ces masses d'air surchauffées se dirigent vers les pôles et redescendent vers la terre aux latitudes de 30 à 40 en hiver. Ces masses d'air refroidies qui descendent dans ces régions élèvent la pression de l'air et créent une ceinture de haute pression subtropicale.
Enfin, les masses au-dessus des pôles sont continuellement refroidies par leur contact avec la glace polaire et sont donc des zones de haute pression permanentes.
Les latitudes comprises entre les zones de haute pression polaire et subtropicales sont donc par comparaison des zones de basses pressions.
De grandes masses d'air vont donc se déplacer des zones de hautes pressions permanentes comme le pôle ou temporaires comme les régions subtropicales vers les zones de basse pression entre le cercle polaire et les régions subtropicales et vers les zones équatoriales.
Ces masses d'air acquièrent, en raison de leur long séjour au-dessus des territoires ou elles se forment, des caractéristiques relativement uniformes en fonction de la nature des surfaces sur lesquelles elles ont séjournées, glace, océans ou continents.
-On les qualifie donc de masses d'air polaire, ou tropicales, maritimes ou continentales.
Normalement, les mouvements des masses d'air des hautes pressions vers les basses pressions se feraient suivant les gradients de pression c'est-à-dire perpendiculairement aux isobars. Mais ils sont influencés par la force de Coriolis qui résulte de la rotation de la terre .
Par exemple une masse d'air à l'équateur où la vitesse de la rotation de la terre est 1670 Km/h vers l'Est est entraînée à la même vitesse. Quant elle se déplace, vers le Nord sa vitesse est à peu près maintenue alors que la vitesse de rotation de la surface de la terre décroît avec sa circonférence quand on se dirige vers les pôles. (AÀ30 de latitude la vitesse est de 1120Km/h).
Les masses d'air équatoriales ont un mouvement vers l'est plus rapide que la surface de la terre qu'elles surplombent; elles semblent donc venir du sud-ouest. La direction Nord du début devient de plus en plus une direction Est, ceci pour toutes les masses d'air se dirigeant de l'équateur vers les pôles.
Inversement, les masses d'air se dirigeant vers l'équateur ont une vitesse moins grande que les terres vers lesquelles elles se dirigent leur vitesse vers l'est étant moins grande que celle de la terre, elles sembleront se diriger ver le Sud-Ouest et venir du Nord-Est. Cette force de Coriolis est de 0 à l'équateur et augmente en s'approchant des pôles en fonction du sinus de la latitude.
Les phénomènes permettent de comprendre les grands systèmes de vents à l'échelle du globe.
Les Alizés
Ils prennent naissance dans la zone de haute pression subtropicale et convergent vers la ceinture de basse pression de l'équateur. Ils viennent du Nord-Est pour l'hémisphère Nord et du Sud-Est pour l'hémisphère Sud. Prenant origine dans les mêmes conditions ils ont une température et humidité à peu près semblable et ne produisent que peu de turbulences quand ils se rencontrent. Ils voyagent dans une direction Sud-Ouest où Nord-Ouest constante et à une vitesse de 15 à 35 Km/h assez constante.
Les vents polaires
Ils viennent de la zone de haute pression du pôle ou de l'Arctique. Ils ont une direction généralement Sud-Ouest dans l'hémisphère Sud. Évidemment ce sont des vents froids.
Les vents de l'ouest
Ils prennent naissance dans la même zone subtropicale de haute pression que les Alizées mais se dirigent vers les zones subarctiques (comme le Québec). Ces vents du Sud-Ouest rencontrent les vents polaires du Nord-Est "face à face", pourrait-on dire, et créent des perturbations atmosphériques étant donné leur grande différence de température et d'orientation. C'est pourquoi, en hiver dans l'hémisphère Nord, les vents varient beaucoup en vitesse et direction et forment un système de dépressions mouvantes. Cependant en été, les vents polaires étant moins forts et moins froids, les ventes de l'Ouest l'emportent créant une situation plus stable.
Les moussons
Enfin les moussons sont des vents saisonniers qui viennent des différences de température produits au-dessus des océans par rapport à celles produites au-dessus des continents.
Leur effet est particulièrement important dans les régions avoisinant l'océan Indien bordé par l'Australie, le Sud de l'Asie et l'est de l'Afrique. La masse continentale accentue les réchauffements en été et comme c'est une zone subtropicale elle redevient une zone de haute pression l'hiver.
Ces vents principaux plus les échanges locaux dus aux brises maritimes et aux brises de montagnes expliquent dans leurs grandes lignes les échanges enregistrés dans les températures de l'air et son mouvement sous forme de vents.
L'HUMIDITE ET LES PRECIPITATIONS
L'humidité de l'atmosphère c'est la quantité de vapeur d'eau contenue dans l'atmosphère. Elle y entre par évaporation principalement à partir des surfaces des océans, mais aussi des surfaces humides, rivières, lacs pluie et de la végétation.
La capacité de l'air d'absorber de la vapeur d'eau augmente avec sa température qui est le facteur déterminant.
Ainsi la distribution de la vapeur d'eau autour du globe n'est-elle pas uniforme: elle est beaucoup plus grande dans les zones équatoriales et diminue vers les pôles comme on pouvait s'y attendre. De même elle varie pour un lieu donné, suivant les saisons, c'est-à-dire les variations saisonnières du rayonnement solaire et des températures moyennes.
Elle s'exprime de plusieurs façons:
- pression de vapeur d'eau.
C'est la partie de la pression de l'atmosphère qui est due à la vapeur d'eau. Elle s'exprime en mm de mercure
Humidité absolue
C'est le poids de la vapeur d'eau, par unité de volume d'air. Elle s'exprime en g/m3.
Humidité spécifique
C'est le poids de la vapeur d'eau par unité de poids d'air. Elle s'exprime en g/Kg.
L'humidité relative
C'est, pour une température donnée, le rapport entre l'humidité absolue et la capacité maximum de saturation de l'air à cette température. Elle ne mesure pas l'humidité comme telle mais plutôt le degré de saturation de cet air en humidité.
Pour une même quantité d'eau dans l'air, l'humidité relative va varier avec la température.
La pression de la vapeur d'eau de l'air est la mesure la plus utile pour évaluer les conditions de confort de l'homme parce qu'elle exprime sa capacité d'évaporation. Cependant l'humidité relative est plus utile pour évaluer le comportement des matériaux, leur taux de détérioration étant plus affecté par la saturation de l'atmosphère que par la quantité d'eau elle-même.
Les deux, comme on a dit, varient grandement suivant les saisons, les lieux et les cycles journaliers.
On remarque, entre autre, de grandes variations de l'humidité relative dans les climats continentaux entre le jour et la nuit, dus aux différences importantes dans la température de l'air; elle est très basse au début de l'après-midi quand la température est maximum et très haute la nuit au plus froid; alors l'air est pratiquement saturé.
Condensation et précipitation -
Quand l'air, contenant une certaine quantité de vapeur d'eau est refroidie, sa capacité d'absorber de la vapeur d'eau est réduite et son humidité relative augmente donc jusqu'à saturation. La température ou l'air atteint la saturation est appelé le "point de rosée".
e point de rosée, pour une pression barométrique donnée dépend uniquement de la pression de vapeur d'eau.
Toute baisse de température en dessous du point de rosée créée la condensation de la vapeur d'eau qui excède la capacité d'adsorption de l'air.
Or, le refroidissement de l'air peut se faire comme on a vu:
-Par le contact avec des surfaces froides.
-Par le mélange avec de l'air froid.
-Par le processus adiabatique d'expansion de l'air dans les hautes couches atmosphériques.
-Les deux premiers sont responsables de la formation de la rosée et du brouillard, le troisième de la formation des nuages. En effet, d'une part quand le sol se refroidi par rayonnement terrestre, l'air chaud, chargé d'humidité se refroidi au contact du sol et peut atteindre le point de rosée. On a alors la formation de rosée. D'autre part, si le refroidissement est plus important, l'air qui n'est pas en contact avec le sol est refroidi 2' son tour par la couche d'air inférieure et si elle atteint une température inférieure au point de rosée on a formation de brouillard. Le brouillard peut être causé aussi par la descente d'une masse d'air froid par exemple des montagnes vers les vallées. Ce phénomène est favorisé par les nuits à ciel clair qui augmentent les possibilités de rayonnement de la terre, l'inversion des gradients de température près du sol, qui arrête le processus de mélange naturel des couches d'air et évidemment l'absence de vents pour les mêmes raisons.
Enfin, la formation des nuages et leur précipitation est causée par le processus de refroidissement adiabatique et se trouve beaucoup dépendant de la stabilité verticale de l'air.
Au fur et à mesure que l'air monte la pression environnante diminue et il se dilate l'énergie requise pour sa dilation est prise à même la masse d'air et cause son refroidissement. Ce taux de refroidissement est de 10 C/1000 m aussi longtemps qu'il n'y a pas condensation et resté constant.
Le processus est connu comme le taux de refroidissement "adiabatique sec".
Quand la condensation commence, la chaleur libérée par le processus de condensation ralenti le taux de refroidissement de la masse d'air. Ce taux ralenti est connu comme le taux de "refroidissement adiabatique humide", et n'est pas constant. Il dépend de la température de l'air. Plus la température de l'air est élevée au moment de la condensation, plus l'air est chargé de vapeur d'eau et plus le taux de refroidissement adiabatique humide est bas. A hautes températures, ce taux peut être de 5,4 C/1000 m, mais plus la température descend, plus il augmente.
Le taux de refroidissement réel d'une masse d'air variera par rapport au taux sec et humide, suivant des facteurs locaux saisonniers ou autres comme, par exemple, le fait qu'une masse d'air par rapport à une autre peut être accélérée ou ralentie dans son mouvement ascensionnel.
Si une masse d'air, par exemple, poussée par un mouvement ascensionnel le long d'une montagne, atteint une température inférieure à celle de l'air environnant l'état est stable.
Mais si, par contre, il est plus chaud, par exemple, après le ralentissement du refroidissement dû à l'évaporation l'état devient instable.
Une masse d'air qui monte se refroidie donc atteignant le point de rosée; alors de la condensation à grande échelle apparaît, formant des nuages composés d'innombrables particules d'eau et quelques fois de cristaux de glace. Plus l'air continue à monter plus les gouttelettes grossissent pour devenir suffisamment grosses pour tomber et résister à la perte de volume par évaporation et atteindre la surface terrestre. C'est une précipitation.
On distingue trois types principaux de précipitations : convective, orographique et convergente.
"Convectives" lorsque les précipitations viennent de l'ascension de masses d'air humides chauffées par le contact de surfaces chaudes. La chaleur latente dégagée quand la condensation commence, réduit le taux de refroidissement et accélère l'ascension. Ces précipitations sont généralement courtes et abondantes; elles ont lieu principalement dans les régions tropicales.
"Orographiques" lorsque l'ascension de l'air est forcée par le flanc des montagnes. Les pluies sont plus abondantes du côté du vent et diminuent après la crête, créant un climat aride de l'autre côté. Une crête de montagne sépare souvent des zones climatiques bien différentes.
"Convergentes" lorsque les précipitations sont dues à l'élévation de masses d'air convergentes dans les ceintures de basse pression comme chez nous ou à l'Équateur. Comme, chez nous, ce sont deux masses opposées en direction et température, elles se superposent dans une ascension lente, créant une pluie fine et longue.