parcelle (de fluide)

Il est loisible de partager par la pensée un fluide comme l'eau ou l'air en parcelles, c'est-à-dire en volumes contigus et non morcelés que limitent des surfaces dont les formes seront imposées diversement — ici par des contenants ou obstacles réels, là par des conventions imaginées afin d'examiner le fluide au mieux : à chacune de ces parcelles peuvent alors être attachées des grandeurs géométriques, physiques, chimiques ou biologiques — le volume de la parcelle, sa masse, sa température ou (si celle-ci n'est pas uniformément répartie) la distribution spatiale de sa température, sa composition volumétrique en ozone, le nombre de grains de pollens d'une espèce donnée, et bien d'autres grandeurs encore — qui constituent, en relation avec chaque problème spécifiquement abordé, le répertoire des "propriétés" du fluide, présentées selon sa division conventionnelle en parcelles ; et comme ces propriétés évoluent dans le temps, on conçoit que l'échelle spatio-temporelle à laquelle on désire étudier le fluide soit le critère qui détermine à la fois les dimensions des parcelles dans l'espace et les intervalles de temps séparant leurs observations successives.

Lorsque le fluide se meut, il déplace avec lui les parcelles dont il est composé et "transporte" par là même les grandeurs qui représentent ses propriétés. Dans certains cas de transport, il arrive que telle ou telle propriété (par exemple la quantité de mouvement — c'est-à-dire le produit de la masse par la vitesse de déplacement — , la température potentielle, la charge électrique...) garde une valeur constante dans chaque parcelle lorsque celle-ci se déplace : les grandeurs correspondantes du fluide sont alors appelées des grandeurs conservatives, parce qu'elles restent invariables en "accompagnant" son mouvement. Pour un observateur immobile, ces grandeurs n'en sembleront pas moins variables : en effet, ce sont des parcelles distinctes qu'il voit successivement défiler devant lui.

Il est très courant en météorologie d'utiliser l'expression "particule d'air" comme synonyme de "parcelle d'air" ; il faut bien se rappeler alors que l'on ne désigne pas ainsi des éléments de taille réduite, ni encore moins des corpuscules matériels ou énergétiques d'échelle microscopique, mais des volumes d'air dont l'extension verticale et surtout horizontale, quoique très dépendante de l'échelle choisie, atteint le plus souvent des valeurs considérables, de l'ordre par exemple de 50 km à l'échelle synoptique ou de 50 m à l'échelle aérologique pour ce qui est de la dimension horizontale.

La parcelle d'air comme système thermodynamique

Dans les sciences physiques, et plus particulièrement en thermodynamique, un "système" est un milieu dont la description est considérée comme réalisable à l'aide d'un faible nombre de grandeurs, telles que leur connaissance définit l'"état" du système à chaque instant et permet d'évaluer les "échanges" de certaines quantités entre ce milieu et d'autres milieux à son contact, lesquels, étant décrits par les mêmes grandeurs, peuvent également être qualifiés de systèmes ; l'ensemble des systèmes au contact d'un système donné constitue un système particulier, l'"extérieur" du système en question. Si, au cours d'un intervalle de temps Δ t , les grandeurs définissant l'état d'un système restent constantes, ce dernier se trouve durant Δ t dans un "état d'équilibre" ; si aucun échange ne se produit au cours de Δ t entre un système et son extérieur, le système, pendant cet intervalle de temps, reste "isolé". La ou les relations qui lient éventuellement les grandeurs décrivant un système sont les "équations d'état" de ce système.

Une parcelle d'air peut être considérée comme un système atmosphérique décrit par les grandeurs scalaires p (sa pression atmosphérique), V (son volume), m (sa masse), T (sa température absolue) et r (son rapport de mélange). Elle admet alors comme équation d'état une variante de l'équation d'état des gaz parfaits dont l'expression est p V = m R _a T _V , où R _a est une constante positive caractéristique de l'air sec et où la température virtuelle T _V s'exprime elle-même en kelvins en fonction de T et de r . Comme pour tout système, les grandeurs qui dépendent des dimensions spatiales du milieu considéré (ici, V et m ) sont qualifiées de grandeurs extensives, et celles qui n'en dépendent pas (ici, p , T et r ) sont appelées grandeurs intensives ; quand 2 systèmes sont en contact, les grandeurs extensives du système qu'ils constituent ont pour valeurs les sommes des grandeurs extensives qui leur correspondent dans les 2 systèmes composants, ce qui n'est pas le cas des grandeurs intensives.

Il arrive souvent (surtout aux petites échelles spatio-temporelles) qu'une parcelle d'air se déforme rapidement et profondément lorsque le temps s'écoule, de sorte qu'il est préférable de la décrire en augmentant le nombre de grandeurs intensives aux dépens du nombre de grandeurs extensives : or, pour une parcelle de très petites dimensions, l'équation d'état citée plus haut s'écrit p = ( δm / δV ) R _a T _V , avec δm et δV très petits, ce qui explique que cette équation soit utilisée en météorologie sous la forme d'une relation entre grandeurs uniquement intensives, soit p = ρ R _a T _V , où ρ désigne la masse volumique de l'air.