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Isothermie ou le parcours d'un flocon de neige
Le lecteur nous pardonnera, on l'espère, d'adapter un blog paru il y a 3 ans sur le même sujet, mais l'occasion est trop belle de faire le point sur le phénomène subtil et délicat d'isothermie. En effet, un bel exemple est attendu pour le vendredi 1er février, si tout se passe comme prévu...
Définition
Le mot "isothermie" signifie littéralement "de même température". On l'utilise en général pour parler de surfaces de température identique, délimitées par une courbe, ou encore de "l'isotherme 0° C" pour faire référence une l'altitude du 0° C fixe pour une vaste région.
Dans cet article, nous nous intéresserons exclusivement à l'isothermie de la température 0° C dans sa composante verticale, à savoir lorsque la température est constante à 0° C entre deux altitudes. En effet, dans la plupart des situations, la température varie avec l'altitude, en général en se refroidissant lorsque l'on monte. Il arrive cependant que, lors de précipitations intenses et sous certaines conditions, la limite du 0° ne soit plus située à une altitude fixe, mais comprise entre deux niveaux, sur toute une épaisseur d'atmosphère. Cela a pour effet notamment d'abaisser régionalement la limite des chutes de neige de plusieurs centaines de mètres au-dessous de son niveau théorique, avec parfois des conséquences dramatiques.
Pour comprendre ce phénomène, suivons le parcours d'un flocon de neige dans sa chute depuis l'atmosphère supérieure.
Dans le radiosondage ci-dessus, on constate que le profil vertical de la température et du point de rosée (masse d'air en l'occurrence saturée) coupe la limite du 0° C à l'altitude de 1300 m environ. Il s'agit donc là de la limite à laquelle un flocon de neige commencera à fondre ; en partant du principe qu'il mettra environ 300 m pour fondre complètement, la limite théorique des chutes de neige se situe donc vers 1000 m.
L’intérêt des situations d'isothermie réside dans le fait que ce sont les précipitations elles-mêmes qui refroidissent localement les couches inférieures de l’atmosphère originellement « plus chaudes » et relativement sèches (dans le radiosondage ci-dessus, l'écart entre le point de rosée et la température montre que la masse d'air n'est pas encore saturée en dessous de 0°C).
Voyons ce phénomène d’un peu plus près : lorsqu’un flocon, en tombant, franchit l’isotherme du 0° C, il fond. Le passage de la phase solide à la phase liquide nécessite une certaine quantité d’énergie appelée « enthalpie de fusion », laquelle correspond pour l’eau à 339 kJ/kg ; cette énergie est fournie aux molécules d’eau par l’atmosphère environnante, laquelle se refroidit d’autant. Admettons maintenant que les couches inférieures de l’atmosphère soient relativement sèches, comme c'est le cas ici. Notre flocon fraîchement transformé en goutte de pluie tombe donc dans une masse d’air susceptible de contenir – sous forme de vapeur – davantage d’eau qu’elle n’en contient (puisqu’elle est n'est pas saturée…). Les molécules d’eau formant la goutte de pluie vont donc immanquablement se séparer (ou pour mieux dire : s’évaporer…) pour s’en aller voltiger dans les airs au milieu des molécules d’oxygène ou d’azote composant l'atmosphère. Cette phase d'évaporation de notre goutte de pluie ne se fera pas sans soustraire à l’atmosphère environnante une nouvelle quantité d’énergie – nettement plus importante que lors de la fusion – sous forme de chaleur ; cette énergie appelée cette fois « enthalpie de vaporisation » sera de 2256 kJ/kg, soit plus de six fois la quantité d’énergie nécessaire à la fusion (on peut s'en faire un idée en imaginant la quantité d'énergie nécessaire pour vaporiser l'eau contenue dans une casserole et posée sur une cuisinière).
Après l’évaporation de notre goutte de pluie dans la couche inférieure de l’atmosphère, deux changements majeurs s’y seront produits :
1. un refroidissement consécutif aux processus successifs de fusion et d’évaporation.
2. une humidification par un ajout dans la masse d’air de nouvelles molécules d’eau sous forme de vapeur. Dès lors la capacité de cette masse d’air à accueillir de nouvelles molécules d’eau sous forme de vapeur aura diminué et sa température de saturation (le point de rosée) aura augmenté.
Étendons ce phénomène à des milliards de gouttes de pluie tombant dans une masse d’air relativement chaude et sèche, et c’est une humidification et un refroidissement massifs de toute la masse d’air qui se produira. Ce refroidissement s’effectuera naturellement jusqu’à la température de 0° C et pas plus bas, car à une température négative, ni fusion ni évaporation ne se produiraient. Cela signifie donc que, lorsque la couche d’atmosphère directement inférieure à l’isotherme du 0° C aura également atteint cette température de 0° C, notre flocon continuera sa descente pour entraîner le même processus de plus en plus bas... peut-être jusqu'en plaine.
Deux conditions sont toutefois nécessaires pour que la limite des chutes de neige s'abaisse par isothermie :
- des précipitations abondantes entraînant un refroidissement à grande échelle de la masse d'air.
- Une absence de vent, afin d'éviter que les couches d’air refroidies par isothermie ne soient pas remplacées (ou simplement brassées) par de l’air plus chaud.
Ces deux conditions font des vallées alpines des endroits privilégiés pour les phénomènes d'isothermie. En effet, les reliefs ont tendance à accentuer notablement les précipitations (effet orographique) et l'encaissement des vallées à les protéger du vent.
Pour des cumuls de 25 mm de précipitations, l'abaissement de la limite des chutes de neige par isothermie peut atteindre 900 m sur le Plateau, 1500 m dans la plaine du Rhône (ou le volume d'air à refroidir est moindre).
Isothermie : le cas attendu du vendredi 1er février 2019
Les précipitations attendues ce vendredi devraient être intenses et le vent faible à nul dès vendredi matin dans les basses couches de l'atmosphère. La succession des radiosondages ci-dessous illustre le processus d'isothermie expliqué ci-dessus. À noter, le rapprochement progressif du point de rosée et de la température à basse altitude, signifiant une saturation de la masse d'air.
En résumé
Comme le lecteur l'aura compris, l'isothermie est un phénomène important aux lourdes conséquences, dont le prévisionniste a conscience, mais extrêmement difficile à prévoir car régionalisé et soumis à des conditions particulières.
Annoncer la neige par isothermie, c'est s'exposer au sarcasme en cas de pluie ; ne pas l'annoncer, c'est s'exposer aux fâcheries en cas de neige. Comme il n'y a pas à hésiter entre les deux, MétéoSuisse a émis un avis de danger pour la neige, dont nous vous laissons prendre connaissance dans la partie "danger" de notre site.