L'air

Les nuages révèlent la stabilité de l'atmosphère

 

 
  Objectifs
L'aérologie, l'étude des mouvements verticaux de l'air est déterminante dans la prévision des formations nuageuses et des précipitations qu'elles peuvent produire.
Les deux cas étudiés ici sont les deux termes qui modèlent l'extrême variété des formations nuageuses.
I CONVECTION LIBRE : formation de nuages cumuliformes.
Se reporter à « Transfert de chaleur par convection »
II CONVECTION LIMITÉE : formation de nuages stratiformes.

 
  Matériel nécessaire
– une conserve cylindrique (au moins 2 litres) ou une bouteille d'eau de 5 litres dont on a coupé le goulot
– un aquarium
– une petite bouteille (30 à 50 ml)
– du colorant (permanganate de potassium, fluorescéine ou colorants alimentaires
– du sel, eau chaude et froide, glaçon coloré
– un vieil aspirateur
– 2,5 m de plastique transparent « rigide » (au moins 0,60 m de large, de façon à obtenir en le roulant un tube de diamètre suffisant)
– des morceaux de polystyrène
– un morceau de grillage (20 cm x 20 cm) métallique ou plastique à maille fine
– de la ficelle
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Ci-dessus : construction de la soufflerie ; l'adaptateur est constitué par le col d'une bouteille d'eau de 5 litres emboîté sur un tube de PVC de diamètre extérieur 40 mm.
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Ci-dessus modélisation de deux situations : convection libre (à gauche) et convection limitée (à droite).


 
 
Expérience n° 1 : Modéliser la formation des stratus.
Remplir à moitié d'eau salée saturante, un grand récipient.
Placer un film alimentaire avant de verser de l'eau douce sortant du robinet.
Retirer le film (Ci-contre, photo Yves Corboz).
Verser de l'eau très chaude dans un petit flacon contenant un jeu de colorant.
Descendre délicatement en la bouchant avec le pouce, la petite bouteille dans le récipient cylindrique.
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L'expérience peut être faite également en plaçant, à la surface du liquide, un glaçon coloré (par du permanganate de potassium ou de la fluorescéine).
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 Observer la formation de la strate colorée à la limite séparant l'eau salée de l'eau douce.

En l'absence de turbulence, des fluides de caractéristiques physiques différentes se mélangent très lentement (cf. expérience complémentaire). Les masses d'air obéissent à ces lois qui ne sont pas sans conséquence pour la météorologie.

Expérience n° 2 : différents étages de nuages.
Réaliser dans un aquarium trois couches de liquides :
– au fond : eau salée saturée très froide ;
– au milieu : eau chambrée très peu salée ;
– au-dessus : eau douce et chaude (40 °C).
Pour réaliser les strates successives, il faut placer sur la deuxième couche précédente un film alimentaire qui permet de verser le liquide suivant assez rapidement sans risque de mélange.
Éviter au maximum les remous, retirer ensuite délicatement le film.
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Lorsque le milieu stratifié est réalisé, placer, d'un côté et au fond, une petite bouteille d'eau chaude colorée et à l'autre extrémité, en surface, un glaçon coloré.
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Ci-contre : résultat obtenu après quelques minutes. (Photo Yves Corboz)
Expérience n° 3 : modélisation des situations convectives

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 • Un aspirateur dépouillé de la carrosserie qui porte le sac à poussière est utilisé en soufflerie (donc à l'inverse de sa destination première). Le souffle est dirigé dans une colonne transparente (grande feuille de plastique « rigide » roulée en tube, maintenue par du ruban adhésif). Des fragments de polystyrène figurent les gouttes d'eau (cf. schémas ci-dessous).
• Situation de convection libre : répartition sur toute la hauteur de la colonne.
• Situation de convection limitée : une grille lestée par une masse descend dans la colonne au bout d'une ficelle. Les fragments de polystyrène voient leur ascension limitée => situation stratiforme.