Pourquoi du brouillard ce matin ?


Voilà la vue que m’offrait le ciel de Vannes, ce matin 10 décembre 2016 vers 9 heures, observé en direction du Sud-Sud-Ouest depuis mon balcon donnant sur l’arrière du lycée St-François Xavier :

10-dec-9-h_2

Cette photo ne rend qu’imparfaitement compte de la densité relativement importante du brouillard qui régnait alors, réduisant la visibilité à moins de 200 mètres.

Vous êtes-vous vraiment demandé pourquoi certains matins comme aujourd’hui il y a du brouillard, alors que le plus souvent ce n’est pas le cas ? Voilà une question peut-être banale, mais sauriez-vous y répondre d’une manière convaincante ?

Formuler ladite réponse, c’est ce que j’ai envie de partager avec vous aujourd’hui. Car il me semble intéressant et utile de mieux comprendre les phénomènes naturels dont nous sommes les témoins, et qui caractérisent l’environnement dans lequel nous vivons.

Les questions à clarifier peuvent être précisées ainsi :   Qu’est-ce qu’un brouillard ?   Dans quelles conditions se forme-t-il ?

Les réponses sont à chercher dans un ensemble de connaissances qui constituent le domaine de la météorologie, une science appliquée consacrée à la compréhension des phénomènes dynamiques et thermiques qui se déroulent dans l’atmosphère. Une telle quête ne devrait pas nous apparaître comme une préoccupation intellectuelle réservée à de seuls spécialistes, car nous sommes tous directement concernés par l’état de l’atmosphère dans laquelle nous vivons, et cela sans autre choix possible. Par ailleurs, après la lecture de ce billet, vous devriez reconnaître que les notions exposées n’étaient pas d’une grande complexité, mais devraient plutôt être accessibles au plus grand nombre.

Pour commencer, qu’est-ce précisément que l’atmosphère ?

C’est simplement la très mince couche de gaz qui entoure notre planète, et dont l’existence conditionne la possibilité de la vie telle que nous la connaissons. Très mince parce que l’ordre de grandeur de l’épaisseur de cette couche, de l’ordre de 10 km, est à comparer avec la taille de la planète, une boule d’un rayon de quelques 6000 km. Vous voyez que l’atmosphère terrestre ressemble à une pelure d’oignon.

Quel est ce gaz qui compose l’atmosphère ?

Pour faire simple, c’est un mélange de deux composants gazeux largement majoritaires, l’azote (78 %) et l’oxygène (21 %), et d’un solde composite pour seulement 1 %. Dans ce 1 %, figurent les gaz rares (argon, ozone, etc.), mais aussi le CO2 (0,03 %) et surtout la vapeur d’eau (0,4 % en moyenne). Tous ces composants gazeux sont transparents. Ils ne se voient donc pas.

(Cela ne veut pas dire qu’il faille oublier la présence des particules solides supplémentaires issues de l’activité humaine ou volcanique, qui sont des pollutions constituées de cendres, imbrûlés, rejets chimiques, etc., mais ces pollutions n’ont rien à voir avec l’explication des brouillards).

Les nuages et les brouillards ?

Pourtant, on observe pratiquement quotidiennement des nuages dans l’atmosphère, et parfois comme ce matin, des brouillards quasi-opaques. De quoi sont-ils donc faits, si tous les composants de l’atmosphère qu’on vient de citer sont transparents ?

Cela est dû à la teneur en vapeur d’eau de l’atmosphère, et à une propriété physique commune à tous les éléments naturels, et donc à l’eau, qui est de se présenter sous trois formes possibles (solide, liquide, ou gazeuse) selon les conditions de pression et de température.

C’est ainsi qu’à la pression atmosphérique au niveau du sol, l’eau est pratiquement toujours sous forme liquide (au dessus de O°C) ou solide (gelée blanche ou neige au dessous de 0°C). Mais cela n’empêche pas la présence dans l’atmosphère d’une petite portion supplémentaire à l’état de vapeur, et donc invisible. Elle a pour origine l’évaporation à la surface des plans d’eau des mers, lacs et rivières, assurant conjointement avec le phénomène de condensation l’équilibre qui doit régner de part et d’autre de chaque surface de séparation que constitue un plan d’eau.

C’est cette teneur variable en vapeur d’eau, présente dans l’air, qui peut donner lieu, lorsque les conditions de température y sont favorables, à des processus de condensation donnant naissance à de minuscules gouttelettes d’eau liquide (plusieurs milliers au cm3).

Ce sont ces minuscules gouttelettes d’eau liquide, bien visibles elles, qui constituent en altitude les nuages, et au niveau du sol les brouillards.

Quelles sont ces conditions favorables d’apparition des brouillards ?

Je viens de vous dire que cela dépend des conditions de température. Pour vous l’expliquer, nous devrons entrer dans quelques détails techniques. Je vais le faire de la manière la plus directe possible en supposant que j’ai l’outil ad hoc dans la main.

Cet outil est un instrument de mesure qui s’appelle un thermomètre mouillé (ou encore psychromètre, mais je n’aime pas beaucoup ce terme trop savant, qui ne révèle rien mais au contraire cache beaucoup).

L’instrument est représenté sur la figure ci-dessous :

thermometre-mouille

À gauche, un premier thermomètre classique, dit thermomètre sec, mesure la température du lieu, comme celle que vous pouvez mesurer chaque jour. Appelons T1 le résultat de la mesure.

À droite, un second thermomètre, dit thermomètre mouillé, a pour fonction de repérer la température d’équilibre entre un volume d’eau liquide (contenu dans un genre d’éponge entourant le bulbe du thermomètre) et l’air ambiant.

C’est un processus autorégulateur qui s’installe. Au départ, les deux thermomètres indiquent T1 . On remplit le réservoir d’eau. L’éponge s’imbibe d’eau. Une certaine quantité d’eau, à la température T1, va s’évaporer. La quantité de chaleur nécessaire pour l’évaporer, soustraite au système, va faire baisser la température de l’éponge et du bulbe qu’elle emmaillote. Le thermomètre mouillé indiquera alors T2 < T1 .

La température T2 est appelée le point de rosée.

La baisse de température T2 < T1 observée est proportionnelle à la quantité de vapeur d’eau présente. On en déduit l’humidité relative U de l’air humide que l’on a obtenu.

Un calcul de thermodynamique élémentaire, mais avec lequel je ne vous ennuierai pas, permet de passer de la lecture T2 – T1 à l’humidité relative U. Le plus simple est d’utiliser une abaque comme celle ci-dessous :

point-de-rosee

Les données météorologiques classiques disponibles

Chaque jour dans le monde, une multitude de stations météorologiques exploitent des baromètres enregistreurs, des thermomètres et des psychromètres. En outre, des lâchers de ballons-sondes équipés des mêmes instruments et de télémétrie, collectent ces données tout le long d’une même verticale, sur toute la hauteur de l’atmosphère. Les résultats de ces sondages servent à élaborer des graphiques synthétiques appelés des émagrammes. En voici un :

emagramme-temps-classique

Faites attention à ce que l’axe des températures est incliné à 45 degrés (pour gagner de la place).

La ligne droite à 45 degrés de couleur jaune est l’isotherme 0 °C .

La ligne rouge est la température de l’air le long de la verticale du sondage. Vous voyez qu’elle diminue assez régulièrement depuis la valeur au sol de T1 = 7 °C, pour devenir négative (intersection avec la ligne jaune) vers 1500 m d’altitude. Elle aura baissé jusqu’à -40 °C un peu avant l’altitude de 8000 m.

La ligne bleue est la température du thermomètre mouillé. On lit T2 5 °C

La ligne verte est la température du point de rosée. On lit Tw 2,5 °C

On a encore de la marge avant qu’apparaissent des gouttelettes d’eau dans cet air. (on peut encore descendre de 5 à 2,5 °C avant qu’on ait de la condensation). C’est pour cela qu’on lit sur la droite du diagramme une humidité relative RH = 76 % . Par contre, si la température était descendue jusqu’à 2,5 °C, on aurait eu RH = 100 %.

L’émagramme de Vannes pour le début de matinée d’aujourd’hui 10 décembre 2016

On peut obtenir cette information sur le site Météociel   www.meteociel.fr/

Il suffit vers le bas de la colonne de gauche de sélectionner l’option Arpège Sondages, et ensuite d’indiquer le lieu pour la verticale duquel on désire visualiser l’émagramme. La figure suivante donne la prévision établie par le modèle mathématique Arpège pour 16 H aujourd’hui, et cela à partir des calculs faits à 12 H.

emagramme-vannes-10-dec-16-h

On peut lire qu’en cette fin d’après-midi hivernal, la température au voisinage du sol est un peu supérieure à 10 °C, avec une humidité relative de 87 % On n’est pas très loin de la saturation, mais rien ne permet de supposer l’existence de brouillard. Et de fait, il n’en n’existe pas. Comparons maintenant à la situation de l’atmosphère qui prévalait ce matin vers 9 h au même endroit :

emagramme-vannes-10-dec-9-h

Cette fois, vers 9 H, les trois courbes indiquant la température de l’air, la température du thermomètre mouillé et la température du point de rosée étaient confondues, au voisinage du sol. C’était là l’indication très convaincante d’un phénomène de condensation généralisé, et donc d’un air saturé en gouttelettes d’eau liquide . en d’autres termes, un brouillard établi.

Peut-on expliquer la cause de ce brouillard ?

Oui, il trouve son explication dans la situation météorologique générale. Une première approche pour identifier cette situation est d’examiner la distribution des pressions atmosphériques au sol, à l’échelle régionale, à ce moment là :

situation-meteo-10-dec-7-9-h

Carte des isobares pour l’Europe du Nord , calculée à 0 H pour ce matin à 7 h .

à comparer avec les observations faites à 9 h, et qui confirment la situation prévue ci-dessus par le modèle mathématique :

ploeren-10-dec-9-h

Cette situation est un classique, et elle est décrite comme conduisant typiquement à la formation d’un brouillard d’advection, dans le cours de Météorologie Générale de Triplet et Roche (E.N.M) de 1977 !

 situation-meteo-20-dec-1971

Comparez les deux cartes isobariques du 20 décembre 1971 (ci-dessus) et du 10 décembre 2016 (un peu plus haut), et vous constaterez l’identité du même écoulement d’air chaud montant du Sud-Ouest, avec la même isobare 1025 hPa traversant sensiblement au même endroit la Bretagne, tout ceci étant dû à la position identique aux deux époques d’un même anticyclone 1030 hPa centré dans les parages de la Sicile.

Mêmes causes, mêmes effets : un brouillard généralisé sur le littoral atlantique.

De 1971 à 2016, 45 années se sont écoulées. Mais pour notre planète, il faut croire que parfois il semble ne s’agir là que du temps d’un battement de cil.

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