Glossaire

pression de vapeur saturante

  Curieux  

La surface d'une étendue liquide (ou solide) surmontée par le vide ou bien par un gaz est soumise à évaporation (ou à sublimation), car des molécules de ce liquide (ou de ce solide) s'échappent de sa surface pour envahir le vide ou bien pour se mélanger par diffusion avec les molécules du gaz. Le corps qui s'évapore (ou qui se sublime) et qui devient ainsi gazeux acquiert alors une certaine pression dans l'espace auparavant vide, ou une certaine pression partielle au sein du mélange créé avec le gaz d'accueil : or, l'expérience montre que cette pression ou cette pression partielle ne peut excéder une valeur déterminée, appelée la pression de vapeur saturante ; au-delà de cette valeur, la phase gazeuse du corps ou bien la phase gazeuse formée par son mélange avec le gaz initial se trouve à saturation, ce qui veut dire que les molécules provenant ultérieurement du liquide (ou du solide) se rassemblent en gouttelettes (ou en cristaux) subissant aussitôt une condensation (ou une condensation solide) qui les ramènera par précipitation à sa surface, à moins qu'elles ne restent suspendues au sein du mélange gazeux sous la forme d'un milieu condensé, comme c'est le cas dans l'atmosphère pour les nuages.

À saturation, les phases liquide (ou solide) et gazeuse sont supposées en équilibre, ce qui veut dire que dans un intervalle de temps donné le flux de molécules gazeuses retournant à l'état liquide (ou solide) est pratiquement le même que le flux de molécules liquides (ou solides) passant à l'état gazeux. Il règne alors une même température de part et d'autre de la surface de séparation entre les phases liquide (ou solide) et gazeuse : or, quelles que soient les natures du liquide (ou du solide) considéré et du gaz qui le surmonte, la pression de vapeur saturante — mesurée en hPa — possède la propriété de ne dépendre que d'un paramètre, qui est cette température — mesurée en °C ou en K ; plus exactement, la pression de vapeur saturante croît de plus en plus rapidement avec la température selon une loi déterminée.

La connaissance de cette loi peut jouer un rôle important dans des domaines très divers : par exemple, c'est parce que le mercure garde en phase gazeuse pure une pression de vapeur saturante excessivement faible que l'on peut l'utiliser pour mesurer précisément la pression atmosphérique. En météorologie, toutefois, l'usage du terme de pression de vapeur saturante est évidemment réservé, sauf mention contraire, à celle de la vapeur d'eau (mélangée à l'air) par rapport à l'eau liquide ; sa valeur e w ( w est mis ici pour water ) est une fonction assez rapidement croissante de la température t : par exemple, suivant que t égale 0 ou 10 ou 20 ou 30 degrés Celsius, les valeurs de e w en hectopascals atteignent respectivement 0,61 ou 1,23 ou 2,34 ou 4,24 hectopascals. Il est sensé de mesurer également la pression de vapeur saturante par rapport à l'eau liquide au-dessous de 0 °C, et cela jusqu'à des températures d'au moins - 30 °C, en raison du phénomène de surfusion : par exemple, à - 20 °C, e w est égale à 0,13 hPa.

Il faut souligner qu'existe également, en deçà de 0 °C, une pression de vapeur saturante de la vapeur d'eau (mélangée à l'air) par rapport à la glace ; sa valeur e i ( i est mis ici pour ice ) a la propriété d'être inférieure à celle de e w pour une même température (négative) : par exemple, si t égale - 12 °C, on aura e w = 0,24 hPa et e i = 0,21 hPa. Cette différence semble jouer fréquemment un rôle très notable, à travers l'effet Bergeron, dans l'initialisation des précipitations au sein des nuages. Par ailleurs peuvent se manifester fugacement dans l'atmosphère des phénomènes de sursaturation, où la valeur réelle de la pression partielle de la vapeur d'eau excède celle de la pression de vapeur saturante.


  Initié  

Dans l'atmosphère, les milieux condensés les plus fréquemment associés à la naissance de précipitations sont des nuages situés suffisamment haut, et donc à des températures négatives t suffisamment basses (disons, moins de - 10 °C ), pour former des mélanges à trois phases où coexistent, au sein de l'air , des gouttelettes d'eau en surfusion et des cristaux de glace. Partant de cette observation, le météorologiste suédois Tor Bergeron a proposé, au début des années 1930, une explication du mécanisme de déclenchement des précipitations qui se fonde sur les différences entre les pressions de vapeur saturante de la vapeur d'eau par rapport à l'eau liquide, e w ( t ), et par rapport à la glace, e i ( t ) : on a toujours en effet e i ( t ) < e w ( t ).

La pression partielle e de la vapeur d'eau dans l'air environnant les particules d'eau liquide et solide reste, dans un espace restreint, à peu près constante. Dire que la température t de l'air dans cet espace est celle de la saturation par rapport à l'eau liquide équivaut à dire que e = e w ( t ) ; par suite, e est alors supérieure à e i ( t ), ce qui signifie que la vapeur d'eau est en état de sursaturation par rapport à la glace : aussitôt, elle congèle partiellement en cristaux de glace agglomérés autour des noyaux de condensation solide les plus proches et les mieux adaptés, qui ne sont autres que les cristaux de glace préexistants dans l'espace examiné, tandis que les gouttelettes doivent en partie s'évaporer pour maintenir dans cet espace la pression partielle e de la vapeur d'eau. L'effet Bergeron consiste ainsi en un transfert continuel de l'eau liquide des gouttelettes en surfusion vers l'eau solide des cristaux de glace, au sein d'un espace nuageux où cohabitent ces gouttelettes et ces cristaux ; le poids des cristaux de glace finit alors par atteindre une valeur suffisante pour amorcer leur chute, et donc la précipitation.

En fait, un phénomène analogue à celui que décrit l'effet Bergeron peut se produire même en l'absence de cristaux de glace, lorsque coexistent des gouttelettes — sphériques — de tailles nettement différentes ; ce phénomène est lié à la cohésion interne des gouttelettes : à l'échelle microscopique, en effet, la diminution de la taille d'une gouttelette à température donnée a pour conséquence la diminution de sa cohésion et, par suite, l'augmentation de la pression de vapeur saturante par rapport à elle. La valeur véritable e w ( t , R ) de la pression de vapeur saturante à t fixée est alors d'autant plus faible que le rayon R de la gouttelette est plus grand, et si t correspond à la saturation pour de petites gouttelettes de rayon R' , la vapeur d'eau à la température t se trouvera en état de sursaturation par rapport à des gouttelettes de rayon R nettement supérieur à R' , puisque e w ( t , R ) < e w ( t , R' ) : dès lors, selon le même mécanisme que pour l'effet Bergeron, l'eau des petites gouttelettes se transfère vers les gouttelettes beaucoup plus grosses, qui progressivement forment par coalescence des gouttes de pluie.

Bien que l'effet Bergeron semble bien adapté à la description de la plupart des "départs" de précipitation, il fournit des valeurs généralement trop longues quant à la durée de formation d'une goutte de pluie ou d'un cristal de neige de taille normale. Cette durée, de l'ordre de quelques heures, peut alors être convenablement expliquée par l'intervention d'un autre phénomène, la coalescence, qui provoque la collision et l'agglomération d'un très grand nombre de gouttelettes (éventuellement en surfusion) et de cristaux de glace (éventuellement fondus) au cours de leur chute.