Air instable

La notion de convection se réfère à la montée des bulles d’air depuis la surface jusqu’à parfois des kilomètres de hauteur, de même que la formation de nuages qui s’en suit, principalement de gros cumulus ou des cumulonimbus. Ce phénomène n’est rendu possible que lorsque l’atmosphère est instable.

 

Comment l’air ascendant se refroidit-il ?

Quand une bulle d’air (ou plus généralement une couche d’air) commence à monter, elle se refroidit de façon particulière. Les bulles d’air n’atteignent pas la température de leur environnement, car leur montée est trop rapide. Un processus où il n’y a pas d’échange de chaleur avec l’environnement est appelé adiabatique.

La bulle d’air ne refroidit donc pas du fait d’un environnement plus froid. La bulle d’air refroidit parce que, du fait de l’ascension, la pression de l’air diminue et la bulle doit se dilater. En conséquence, les molécules d’air rentrent moins en collision et la température décroit. Tant que les bulles d’air ne sont pas saturées, elles refroidissent de manière constante, à raison de 10°C/km. Lorsque la bulle est saturée, le refroidissement est plus lent parce que la chaleur de condensation est libérée.

 

Quand l’atmosphère est-il instable ?

Tant que la bulle d’air ascendante est plus chaude que son environnement, elle continuera spontanément à monter. L’air chaud a de fait une densité plus faible. Dans ce cas, l’atmosphère est instable. En pratique, l’atmosphère est particulièrement instable lorsque les couches basses sont très chaudes et humides, ou lorsque les couches hautes sont très froides. En d’autres mots, cela requiert un gros contraste de température dans la verticalité. Ce n’est que lorsque la bulle d’air est plus froide que son environnement et que l’ascension prend fin que l’atmosphère devient stable.

Il arrive souvent que les couches d’air soient forcées de monter, par exemple le long des fronts, des lignes de convergence ou à cause du relief. Il est alors possible que la couche d’air ait été initialement stable, mais devienne instable un moment donné du fait du mouvement ascendant. On parle dans ce cas d’air potentiellement instable, parce que l’instabilité ne survient qu’après l’ascension forcée. C’est ce qui peut engendrer des orages importants pendant l’été, lors de mécanismes ascendants, comme une ligne de convergence.