L’eau dans l’atmosphère

L’eau dans tous ses états

L’eau se trouve dans la nature sous trois états distincts : liquide, solide et gazeux.
L’eau à l’état liquide ("l’eau" toute seule dans le langage commun) est un élément essentiel présent sur le globe terrestre (quatre cinquième de la surface de la terre est immergée).
L’eau à l’état solide (appelée communément "glace") constitue une réserve d’eau temporaire ou permanente énorme (neige, glaciers, inlandsis, calottes polaires).
L’eau à l’état gazeux (appelée normalement "vapeur d’eau") se retrouve dans les deux autres états de l’eau et dans un nombre important de corps naturels.

On trouve également l’eau à un état instable, intermédiaire entre l’état liquide et l’état solide. C’est l’état de surfusion , eau en état liquide mais à une température en dessous de zéro degré. Au moindre choc extérieur, l’eau en surfusion retrouve instantanément l’état solide que lui confère sa température.

Les changements d’états de l’eau

L’état de l’eau est en fait fonction de l’agitation de ses molécules (H₂O : molécule renfermant deux atomes d’hydrogène et un atome d’oxygène).
A l’état solide, les molécules d’eau sont soudées les unes aux autres et vibrent très faiblement (d’autant moins que la température de la glace est basse).
A l’état liquide, les molécules d’eau sont associées c’est-à-dire faiblement attachées les unes aux autres.
A l’état gazeux, les molécules ne sont plus liées entre elles ; elles sont animées de mouvements désordonnés.

Le passage d’un état d’agitation moléculaire faible à un état plus élevé impose d’introduire de l’énergie au sein des molécules (on parle de chaleur latente ). Inversement, le passage d’un état d’agitation élevé à un état plus faible libère cette chaleur latente.

• Le passage de l’état solide à l’état liquide est la fusion (l’inverse la solidification ). Ce passage consomme (libère) 334J par gramme d’eau changeant d’état.
  A titre d’exemple : sur 1 mètre carré, la fusion de 1mm de glace par heure consomme 85W.
• Le passage de l’état liquide à l’état gazeux est l’ évaporation (l’inverse la condensation ). Ce passage consomme (libère) 2500J par gramme d’eau changeant d’état.
  A titre d’exemple : sur 1 mètre carré, l’évaporation de 1mm d’eau par heure consomme 695W.
• Le passage direct de l’état solide à l’état gazeux est la sublimation (l’inverse la condensation solide ) (nota : ces changements d’état sont plus fréquents qu’on ne l’imagine). Ce passage consomme (libère) 2834J par gramme d’eau changeant d’état.

La vapeur d’eau

L’atmosphère contient de l’air sec (5.10¹⁵ tonnes) et de la vapeur d’eau (18.10¹² tonnes). Cette vapeur d’eau provient de l’évaporation de l’eau des océans et des cours d’eau et de l’évapotranspiration des plantes. Cette vapeur d’eau charge l’air en humidité. La quantité de vapeur que contient l’air humide est appelée humidité absolue (elle s’exprime en grammes de vapeur d’eau par mètre cube d’air). L’air sec peut contenir plus ou moins d’humidité en fonction de sa température. Plus il est froid, moins il peut contenir de vapeur d’eau.

La quantité maximale de vapeur d’eau que peut contenir l’air est appelée humidité absolue de saturation. Cette humidité absolue de saturation varie dans le même sens que la température.

Température de l’air (°C)	Humidité absolue de saturation (g/m3 d’air)
30	30,08
20	17,15
10	9,36
0	4,83
-10	2,28
-20	1,07

L’humidité relative de l’air

L’humidité de l’air s’exprime en valeur relative par rapport à la saturation. L’ humidité relative est le rapport de l’humidité absolue par l’humidité absolue de saturation. Elle s’exprime en% et on la note U. Plus elle se rapproche de 100%, plus l’air est proche de la saturation. L’humidité relative se mesure aisément avec un hygromètre (il en existe de différentes sortes).

Dans une masse d’air stable, l’humidité relative varie dans le sens inverse de la température.

La température du point de rosée

Tout refroidissement se traduit par une diminution de l’humidité absolue de saturation. La température à laquelle il faut abaisser l’air pour l’amener à un début de condensation s’appelle la température du point de rosée (on la note Td). Plus l’air est sec, plus la température de rosée est basse.

Par définition une température de point de rosée ne peut pas être supérieure à la température de l’air.

La condensation

Lorsque l’air est saturé en vapeur d’eau (U=100%) un refroidissement se traduit par un excédent d’eau incapable de rester à l’état de vapeur dans l’air. Cet excédent d’eau est condensé sous forme liquide (gouttelettes d’eau) ou solide (cristaux de glace). La condensation est en effet différente selon que la température du point de rosée est positive (air plus humide) ou négative (air plus sec).

La condensation dans la masse : lorsque la température de la masse d’air diminue en dessous du point de rosée d’avant le refroidissement, il y a condensation de vapeur dans la masse d’air.

• • • En altitude ce phénomène s’appelle un nuage , au ras du sol, du brouillard .

La condensation de surface : sur une surface de température inférieure à la température du point de rosée de l’air, la condensation se produit dans la couche d’air en contact avec la surface froide. L’eau libérée se colle à cette surface et la mouille sans qu’il y ait de condensation dans la masse.

• • • Sur une vitre froide, ce phénomène s’appelle de la buée ou du givre si la condensation est solide.

- Les brouillards

Dans l’air à proximité du sol, il y a brouillard lorsque la température de l’air (Ta) descend au-dessous de la température du point de rosée initiale.

Lorsque la température de l’air dans un brouillard est négative, on parle d’un brouillard givrant . Il faut alors distinguer deux types de brouillards givrants : celui formé d’eau surfondue et celui formé de paillettes de cristaux de glace.

brouillard givrant avec eau surfondue. Ce cas de figure apparaît lorsque la température de l’air ne devient négative qu’après la formation du brouillard (Td initial positif).

brouillard givrant avec paillettes de cristaux de glace
Ce cas de figure apparaît lorsque la température de l’air est négative lors de la formation du brouillard (Td initial négatif).

- Les condensations au sol

Au sol, il y a condensation liquide si la température de surface est positive et inférieure à la température du point de rosée de la masse d’air. Il s’agit de rosée .

Au sol, il y a condensation solide si la température de surface est négative et inférieure à la température du point de rosée de la masse d’air. Il s’agit de gelée blanche .

Si après l’apparition de la rosée, la température de surface devient négative, la rosée gèle. Il s’agit de rosée blanche .