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LES QUATRE TRANSFERTS D'ENERGIE

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[La turbulence] [Le gradient de vent] [L'ascendance de pente] [Les quatre transferts d'énergie] [L'effet de Foëhn] [Le déclenchement thermique] [Stabilité et instabilité] [Le cumulus] [Les brises]

 

Ce chapitre aurait théoriquement plus eu sa place dans notre cours de météorologie, étant donné l'échelle importante de certains phénomènes que nous allons décrire. Cependant, la compréhension des éléments d'aérologie est intimement liée aux transferts d'énergie, c'est pourquoi nous en parlerons ici, de manière "géographiquement" plus proche du cours d'aérologie.

La chaleur est souvent confondue dans l'esprit commun avec la température. Pour le physicien, les deux notions ne se situent absolument pas sur le même plan :

  • La chaleur est une valeur d'énergie, elle décrit en quelque sorte la réserve de puissance d'un corps ou d'un élément (le sol, l'atmosphère).
  • La température est une simple mesure d'un paramètre.

Dans le langage du physicien, il existe autant de différences entre les deux qu'entre énergie cinétique (c'est la réserve de puissance d'un corps en mouvement) et vitesse par exemple.

L'atmosphère reçoit son énergie, sa chaleur, depuis son moteur essentiel : le soleil, par l'intermédiaire de quatre transferts d'énergie. Ce sont :

Le rayonnement :

C'est une méthode de transmission par exposition directe, qui fonctionne bien vis-à-vis de beaucoup de solides, moins bien vis-à-vis des liquides, et qui est quasi-négligeable vis-à-vis des gaz. La terre et la mer reçoivent ce rayonnement et l'utilisent à diverses fins, parfois très complexes : cela peut être par exemple la photosynthèse réalisée par les plantes. Le rayonnement, ce n'est pas que de la lumière, le soleil en fournit sous bien d'autres formes que le seul spectre visible, ce sont aussi des infrarouges dont la longueur d'onde est située juste en dessous et qui sont le vecteur essentiel de la chaleur solaire, les ultraviolets qui font beaucoup de maux cutanés tout en donnant l'impression de faire du bien par le bronzage, les ondes électromagnétiques et enfin les rayonnements nucléaires alpha, bêta et gamma, qui sont heureusement pour nous très atténués par leur traversée de l'atmosphère. Sans exposition au soleil, la nuit par exemple, la terre renvoie une partie de son rayonnement vers l'espace (la nature est partageuse de l'énergie !) . L'albédo d'un corps est un rapport qui exprime la partie de rayonnement directement réfléchie et donc non absorbée. En physique, un corps noir possède un albédo nul car il absorbe tout.

La conduction :

C'est la propagation à l'intérieur d'un corps, si vous préférez sans changement de milieu ou par contact avec le milieu voisin. Elle fonctionne bien dans les solides, moins bien dans les liquides et mal dans les gaz. Lorsque vous utilisez une cuillère métallique pour remuer votre soupe, vous vous brûlez (évidemment...) par conduction thermique d'une extrémité à l'autre de la cuillère. Cette petite expérience vous convaincra aisément que le métal possède une meilleure conductivité thermique que le bois que tout bon cuisinier utilisera pour cet usage…

La convection :

Pour les milieux fluides, liquides et gazeux, la nature a néanmoins trouvé un transfert d'énergie très efficace : il s'agit de la transmission à l'intérieur du fluide par transport de molécules : mouvements convectifs dans l'eau d'un lac, bulles thermiques dans l'air, le brassage dû aux variations de la masse volumique.

Le changement de phase : évaporation et condensation :

Même si la vapeur n'est plus au goût du jour actuellement, n'oublions pas qu'elle a constitué le moteur essentiel de nos ancêtres. La transmission d'énergie par la vapeur ne date pas d'hier… au point que ce n'est qu'assez récemment que les Kilowatts ont supplanté les chevaux vapeur. Une partie de l'histoire industrielle humaine est d'ailleurs résumée dans ces termes. De plus, l'évaporation est un excellent "pont" pour passer d'un type d'énergie à l'autre : dans une centrale nucléaire, l'énergie de base est la chaleur, transformée en énergie mécanique grâce à la vapeur (échangeurs thermiques entre circuit primaire et secondaire) qui passe dans des turbines reliées aux génératrices qui vont enfin la transformer en énergie électrique qui est actuellement le mode de transport d'énergie le plus pratique.

Dans l'atmosphère terrestre également, le transport d'une grande quantité de chaleur en altitude est réalisé par un cycle où la chaleur est prélevée par évaporation, transportée en altitude par convection, puis restituée par condensation (nuages).

L’évaporation refroidit le milieu alors que la condensation le réchauffe.

Ajoutons enfin que l'eau n'est visible que sous sa phase solide, la glace, et sous sa phase liquide, l'eau ; tandis que sa phase gazeuse, la vapeur, est invisible et plus légère que l'air sec, ce qui renforce la convection.

 

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