La science des thermiques : 3/3 – la convection

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Dans l’article précédent, nous avons étudié le transfert et le stockage de la chaleur dans nos sols. La prochaine étape consiste à l’échange de la chaleur contenu dans le sol avec l’air à sa surface, ce qui nous amènera à la notion de convection. Autour de cette échange de chaleur entre le sol et l’air, d’autres phénomènes interagissent telle que l’énergie demandée pour la vaporisation de l’eau contenu dans les sols.
Nous analyserons l’activité existante entre le sol et l’air afin de nous orienter progressivement vers le phénomène aérologique qui nous intéresse, celui des ascendances thermiques.

L’évapotranspiration

L’évapotranspiration (ET) concerne l’envoi sous forme gazeuse, l’eau contenu dans les sols vers l’atmosphère. Elle combine à la fois l’évaporation directe de l’eau contenus dans les sols et la transpiration de la végétation.
Une surface humide avec une forte disponibilité en eau (végétation très dense avec un sol mouillé par exemple) conduit à une forte consommation d’énergie nommée la chaleur latente (Cl). La chaleur latente est l’énergie requise pour la vaporisation de l’eau.

Il peut apparaître des cas où il n’y a pas suffisamment d’énergie à échanger avec l’air. Lorsque la température du sol mouillé est très proche de la température de l’air, voire équivalente, l’énergie requise pour l’évapotranspiration peut-être insuffisante. Dans ce cas, nous obtenons un effet inverse de l’échange de chaleur sensible (Cs). La chaleur sensible correspond à la chaleur émise ou absorbée par le milieu. Dans notre cas, l’air fournirait au sol l’énergie complémentaire nécessaire à une intense évaporation, et l’air se refroidirait en conséquence.

Rs : rayonnement solaire
ET : évapotranspiration
Cs : chaleur sensible

En présence de vent, l’évapotranspiration des sols serait facilitée. Le vent remplacerait l’air humide par de l’air plus sec au contact du sol humide ce qui favoriserait sa perte en eau.
L’évaporation de l’eau contenue dans nos sols a un impact considérable dans le phénomène de convection. En effet, plus l’évapotranspiration sera importante, plus la chaleur sensible fournit par le sol diminuera.

Transfert conducto-convectif

Avant d’entamer la notion de convection, l’échange de chaleur avec l’air passe avant tout par un échange de chaleur dit conducto-convectif. N’oublions pas que l’air est un fluide et que, un fluide plus ou moins visqueux “colle” aux parois et ne se déplace pas lorsqu’il est à proximité.
Pour faire la comparaison avec nos sols et notre atmosphère, vous pouvez comparer la paroi à celui du sol chauffé par le Soleil et le fluide par l’air.
Le profil de température du fluide en contact avec le sol ressemble donc à ceci :

Rs : rayonnement solaire
Cs : chaleur sensible

La température du sol est différente de la température de l’air. Il existe une couche de faible épaisseur dans laquelle l’air est immobile et où le transfert de chaleur se fait de manière conductive.
En conséquence, la présence de vent peut compliquer l’échange de chaleur avec l’air proche du sol, le vent perturbant ce transfert conducto-convectif. Ainsi, l’irrégularité du sol tel qu’un champ labouré pourrait être un facteur favorable au transfert de chaleur conducto-convectif, puisque des poches d’air (à l’abri de perturbations) faciliteraient ce transfert de chaleur.
La chaleur délivrée par le sol nous amène à la notion suivante, celui du flux de chaleur sensible et de convection.

Flux de chaleur sensible et convection

Après avoir évoqué le rayonnement et la conduction dans les chapitres précédents, le mode de transfert thermique final est la convection.
La chaleur est transportée au voisinage immédiat du sol par transfert turbulent d’air contenant de la chaleur. L’air est transportée vers le haut et échange de la chaleur avec l’air sus-jacent qui, à son tour, s’éloigne de la surface.
La convection est le mode de transmission de la chaleur qui implique le déplacement de l’air. Le déplacement de l’air est créé par des différences de densité, elles-mêmes dues à des différences de température existant dans l’atmosphère.
L’échange convectif de la chaleur du sol avec l’air ambiant, appelé chaleur sensible, modifie la température de cet air.
Pour mettre en corrélation la chaleur latente et la chaleur sensible, nous préférons obtenir des sols secs pour obtenir plus facilement nos thermiques. En effet, plus nous sommes en présence de vastes surfaces sèches, plus l’air deviendra chaud en cours de journée (fort échange de chaleur sensible) et plus les températures de surface seront élevées. A l’inverse, un sol humide fournira une chaleur latente importante et une faible chaleur sensible, cette dernière étant indispensable à nos thermiques.
Localement, l’absence de vent aura surtout tendance à renforcer l’élévation des températures de surfaces qui sera beaucoup plus sensible pour une zone sèche que pour une zone à forte couverture végétale (humide).

Rs : rayonnement solaire
Cl : chaleur latente
Cs : chaleur sensible
Ts : température de l’air proche du sol

Analysons en détails le déplacement d’une particule lors de la convection.

La particule de l’air se réchauffe au niveau du sol. Par conduction, elle réchauffe les autres particules d’air plus froides situées autour d’elles et directement en contact. Il en résulte une augmentation de la température de la totalité des particules.
Sous l’effet de leur température croissante, les particules se dilatent et leur densité diminuent.
Enfin, les particules présentes dans les zones adjacentes plus froides, donc plus denses, exercent une poussée vers le haut élevant les particules chaudes. Cette force est la poussée d’Archimède.
Ainsi, plus la différence de température est importante, plus les ascendances seront fortes car la différence de densité entre les particules d’air chaudes et froides est élevée.

INFO+
Il faut se méfier des conditions printanières ! Car l’air en début de printemps peut être encore frais et le soleil étant plus haut chauffe davantage le sol. Nous sommes donc en présence de gros contrastes thermiques. La différence température entre la masse d’air ambiante et celle du sol chauffée par le rayonnement solaire étant élevée.

Au cours de leur ascension, les particules chaudes s’élèvent et sont remplacées par des particules plus froides descendant vers le bas. Plus lourdes, les particules froides descendent et ont tendance à s’enfoncer vers les zones plus chaudes où la densité de l’air est plus faible, amplifiant le courant ascendant en conséquence.
Nous obtenons désormais des cycles thermiques, schématisés de la façon suivante :

La convection répond à une loi de Newton et pour mieux appréhender l’instabilité convective, elle est exprimée sous la forme suivante :

α : coefficient d’échange convectif (W/m²/K) [celui de l’air étant compris entre 5 et 50 en absence de perturbations]
A : Surface du sol
Ts : température en surface
T∞ : température de l’air au large

Cette formule justifie que plus l’écart de température entre la surface du sol et la température aux alentours est élevé, plus l’instabilité convective sera importante.

Nous avons vu toute la vie d’un thermique, passant principalement par 3 phases qui sont le rayonnement solaire, la diffusion de la chaleur dans le sol et la convection. Pour élargir ce sujet passionnant, le déclenchement des thermiques peut également s’effectuer de façons différentes de celle vue en dernière partie, que je qualifierais de déclenchement “naturel”. Nous pouvons parler de déclenchement “forcé” lorsqu’il est provoqué par une rafale de vent, par la brise d’un thermique voisin, le passage d’une voiture, le labour des terres agricoles etc. Les thermiques peuvent également apparaître de façon inattendue, en fin de journée lorsque les sols ayant emmagasinés beaucoup de chaleur la libère. Nous appelons cela la restitution.
La science des thermiques est un sujet particulièrement passionnant car beaucoup de phénomènes peuvent y être directement et indirectement rattachés.

 

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