Le point de rosée, chaude humidité...

Introduction

Suite à la demande d'un lecteur assidu d'Info Météo, nous revenons vers vous au sujet de l'humidité. Nous allons essayer de d'expliquer ce que peut-être le point de rosée, ou Td pour dew point temperature in english. Nous avions déjà traité de l'humidité précédemment :

http://infometeobelgique.blogspot.fr/2016/07/theta-thetaw-et-theta-e.html

Cependant ici nous allons nous arrêter uniquement sur la notion de point de rosée, qui est le paramètre le plus commun de l'air humide avec sa comparse l'humidité relative. De manière générale, le point de rosée est toujours inférieur ou égal à la température de l'air.

Des gaz

La matière est constitué d'atomes et de molécules. Les molécules sont un assemblage d'atomes, et dans la nature ce sont plus généralement des molécules que des atomes seuls que nous rencontrons.

La matière connait trois états distincts suivants les liaisons entre ces molécules et atomes. Quand dans un corps ses éléments constitutifs sont resserrés et n'ont pratiquement pas de mobilité, on parle d'un solide.
Si les éléments constitutifs d'un corps restent liés les uns aux autres mais ont quelque mobilité, on parle d'un liquide.
Enfin, si les éléments constitutifs d'un corps ne sont pas liés les uns aux autres et se baladent librement, on parle d'un gaz.

Nous avions déjà évoqué ce sujet précédemment :

http://infometeobelgique.blogspot.fr/2016/06/vapeur-deau-et-rechauffement-climatique.html#Physique_gaz

Et nous resterons ici plus succinct.

L'atmosphère est un mélange de gaz. En physique, un gaz est couramment caractérisé par sa température et sa pression. Ainsi l'air a une température moyenne de 15°C à la surface, et la pression au niveau de la mer est de 1013.25 hPa.

La matière peut changer d'un état à l'autre. Un solide peut devenir liquide ou gazeux, de même qu'un gaz peut devenir un liquide, etc... Ces changements de phases sont résumés par le schéma ci dessous pour l'eau :

Source : http://www.fondation-lamap.org/fr/page/20337/29-notions-clefs-les-etats-de-leau

Au niveau de la mer, la glace fond à 0°C et l'eau bout à 100°C. Les évolutions en rouge consomment de l'énergie, car les molécules vont d'un état de moindre agitation à un état de grande agitation. Il convient donc d'apporter de l'énergie pour faire "bouger" les molécules. Au contraire, les évolutions en bleu libère de l'énergie car les molécules vont d'un état de grande agitation à un état de moindre agitation.

Cependant, les températures à laquelle se produisent ces changements de phases dépendent de la pression. Si la pression est élevée, les molécules sont bien plus contraintes, ont moins de liberté de mouvements. Ainsi, à une pression de 750 hPa (la pression vers 2500 mètres d'altitude en moyenne), l'eau liquide bout et passe à l'état gazeux à une température d'environ 91°C ou 92°C. Et à une pression de 6.1 hPa, l'eau s'évapore même à 0°C.

De l'atmosphère

L'air sec et pur est un gaz, résultat d'un mélange de plusieurs espèces chimiques. Il y a tout d'abord le diazote, composé de deux atomes d'azote. Il s'agit du gaz le plus abondant, constituant environ 78 - 79% du volume total. Le dioxygène, composé de deux atomes d'oxygène, est le deuxième gaz le plus abondant, et représente environ 20 - 21% du volume total. Ensuite viennent d'autres espèces moins courantes. Il y a l'argon, gaz monoatomique qui compte pour un peu moins de 1% du volume total. Puis vient le dioxyde de carbone, composé de deux atomes d'oxygène et d'un atome de carbone d'où sa formule CO2. Il compte pour environ 0.04% du volume en 2015, en hausse exponentielle si il en est.

Représentation schématique d'un volume d'air. Pour les téméraires, on pourra vérifier que sur cent éléments, septante neuf sont des molécules de diazote N2, vingt sont des molécules de dioxygène O2 et un est un atome d'argon Ar. Source : http://spcisle.bl.ee/wp-content/uploads/2014/05/02-COMPOSITION-DE-LAIR-SEC.jpg

De plus, au sein de cet air sec se trouve de l'eau gazeuse, ou vapeur d'eau, qui apporte l'humidité. La charge en vapeur d'eau de l'air est très variable. Dans les tropiques, la vapeur d’eau peut représenter jusqu'à 3 ou 4% du volume total de l'air. En Antarctique ou en Sibérie au contraire, au cœur de leurs Hivers respectifs, l'humidité est quasiment nulle ; à tel point qu'il n'est pas toujours possible de la mesurer.

Un enjeu important en météorologie est de quantifier l'humidité de l'air. Il est en particulier intéressant de connaître les conditions pour lesquelles l'eau va changer de phase.

Approche intuitive

Une première approche simple de ce qu'est le point de rosée est de considérer l'approche suivante, reproductible par tout à chacun. Quand vous prenez un canette bien fraîche d'un soda quelconque au distributeur, un jour où il fait bien lourd, l'eau atmosphérique va se condenser. Il y a ainsi formation d'un dépôt d'eau liquide à la surface de la canette. Il est possible d'améliorer l'expérience même si c'est un peu lourd à mettre en place. En alignant plusieurs canettes ayant une température parfaitement contrôlée, on peut surveiller quelles canettes connaissent un dépôt d'eau liquide, et quelles canettes restent sèches. En théorie, le point de rosée est la température de la canette la plus chaude expérimentant un phénomène de condensation à sa surface.

Une autre approche simple du point de rosée est de considérer la buée sur les vitres en saison froide. Lorsque nous faisons la cuisine ou que nous respirons, l'air est plus chaud et humide. Au contact d'une surface froide telle qu'une vitre, l'eau gazeuse de cette air chaud et humide se dépose en un film liquide.

L'important à chaque fois est de définir la transition entre la phase liquide et gazeuse de l'eau.

Point de rosée

Le point de rosée est la température à laquelle la vapeur d'eau atmosphérique condense. plus précisément, c'est la température d'équilibre entre phase gazeuse et liquide. Le cas le plus simple est celui du brouillard et des nuages. À ce moment, l'air est saturé de vapeur d'eau. L'excès de vapeur d'eau atmosphérique se condense alors en un nuages de gouttelettes d'eau liquide.

Ainsi, lorsque buée il y a, le point de rosée de l'air est supérieur à la température de la vitre. Au contact de la surface froide, la température baisse localement en température. Arrive un moment où la température est suffisamment pour provoquer la condensation de la vapeur en eau liquide.

Comme nous l'avions expliqué, il y a un lien entre pression et température. Cependant, il convient de voir que nous ne parlons là que de la vapeur d'eau. A priori, pour la vapeur d'eau atmosphérique, la pression totale de l'air n'influe pas sur la température du point de rosée (ce n'est peut-être pas tout à fait exact, mais évitons nous des complications inutiles...). Ainsi, nous ne parlons ici que la vapeur d'eau au sein de l'atmosphère. L'eau étant un constituant minoritaire de l'atmosphère, sa pression en tant que gaz est faible. La vapeur d'eau exerce une pression en raison directe de son abondance atmosphérique. Ainsi, dans les tropiques, cette pression pourra atteindre jusqu'à 3 ou 4% de la pression totale, soit de l'ordre de 30 à 40 hPa. À ces pressions l'eau condense à 24°C et 29°C environ respectivement. Cependant, en général, la pression de la vapeur d'eau et le point de rosée sont bien plus bas. Des valeurs plus courantes sont de l'ordre de 1% à 2% de vapeur d'eau. La pression de la vapeur d'eau seule est alors de 10 hPa et condense vers 7°C dans le premier cas, et de 20 hPa et condense vers 17°C dans le deuxième cas.

En général, l'air n'est pas saturé, c'est-à-dire que le point de rosée est strictement inférieur à la température de l'air. Cela signifie que le volume atmosphérique pourrait accueillir une plus grande quantité de vapeur d'eau si cela était possible. En général près de la surface des océans, l'atmosphère est fortement humide, l'eau libre représentant une source permanente de vapeur. Ainsi, même si l'air est rarement totalement saturé le point de rosée est très proche de la température. Dans les terres par contre, l'air tend à s'assécher rapidement. Hormis les cas de brouillards où l’atmosphère est tout à fait saturé, il y a une différence entre le point de rosée et la température de l'air. Ainsi, même si ce n'est guère spectaculaire, l'eau s'évapore en permanence pour venir combler ce déficit de vapeur d'eau. C'est la raison pour laquelle des vêtement suspendus à la corde à linge pourront sécher.

Au quotidien

L'être humain est partiellement capable de ressentir l'humidité de l'air. La sensation peut aussi dépendre quelque peu de l'humidité relative, et de ce fait nous ne sommes guère de bon hygromètre. Cependant, pour les repères, un point de rosée inférieur à 5°C peut être ressenti comme sec quand il fait très chaud. Quand il fait froid, la sensation de sécheresse arrive pour des points de rosées plus bas, parfois jusqu'à -15°C ou -20°C. Dans l'autre sens, la sensation d'humidité est un peu plus précise. Entre 15°C et 18°C de point de rosée les gens commencent généralement à ressentir que le fond de l'air est un peu humide. Entre 21°C et 25°C, la sensation d'humidité devient de plus en plus net, avec une impression grandissante d'étouffer. Passé 26°C ou 27°C, l'humidité devient si oppressante qu'elle peut représenter un danger pour les personnes vulnérables (asthmatique en particulier). Des points de rosées de 33°C ou plus représente un danger immédiat pour la vie, y compris chez les personnes en bonne santé.

Conclusion

L'humidité est sans doute un des paramètres les plus importants pour les sciences de l'atmosphère. Le point de rosée permet de quantifier l'humidité et reste une des variables la plus usitées.