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Laconvection atmosphérique désigne l'ensemble des mouvements internes de l'atmosphère terrestre résultant d'uneinstabilité de l'air due à une différence detempérature verticale ou horizontale. Son intensité dépend du taux de décroissance de cette température et donne des mouvements organisés dans la couche d'air instable, entraînant des transferts verticaux de chaleur, dequantité de mouvement et d'humidité[1]. Le mouvement convectif peut se produire autant à partir du sol qu'en altitude dans une couche d'air instable plus ou moins épaisse. Il est donc possible de parler de convection profonde ou restreinte ce qui influencera ses impacts.
Les processus ou les phénomènes qu'elle est capable de générer à certaines échelles spatio-temporelles sont qualifiés tout simplement de convectifs. Ils sont pourtant loin de représenter l'ensemble des processus et des phénomènes caractérisés par des mouvements verticaux, mais c'est parmi eux que se trouvent des phénomènes clés de la météorologie, comme lesbrises, lesorages, lescyclones tropicaux ou lesmoussons[2].
Au sens météorologique, l'emploi du terme « convection » se limite au transport vertical des propriétés de l'air, le transport horizontal desdites propriétés étant désigné par un autre terme : l'advection horizontale. La convection est un phénomène omniprésent dans l'atmosphère terrestre. Elle peut être déclenchée par un réchauffement du sol par le soleil, par le mouvement d'unemasse d'air froid au-dessus d'un plan d'eau relativement chaude, ou par d'autres phénomènes (dont les différences d'albédo) qui provoquent le réchauffement relatif du bas d'une couche atmosphérique par rapport à son sommet.
La convection humide conduit au développement de nuages à fort mouvement vertical allant ducumulus aucumulonimbus[3]. Les différents types de ces derniers sont responsables desorages dont certains sontviolents. La convection humide à grande échelle donne des systèmes allant dugrain auxcyclones tropicaux et à la mousson, pouvant causer de lapluie diluvienne, de lagrêle, desrafales descendantes et destornades.
La convection sèche donne d'autre part des phénomènes sans formation de nuages, l'air s'élevant sans provoquer de condensation par manque d'humidité[4]. Parmi ceux-ci, il faut noter lesbrises de mer, lestourbillons de poussières et de feu, lacirculation intertropicale et bien d'autres phénomènes.
Le mouvement convectif ascendant est causé par la différence de température entre la parcelle d'air soulevée et l'environnement plus froid en altitude. En effet, la parcelle se refroidit en montant mais selon legradient thermique adiabatique, soit moins que la température de l'environnement dans les cas instables. Elle est donc moins dense que l'environnement et subit unepoussée d'Archimède vers le haut. Cette différence est l'énergie potentielle de convection disponible (EPCD)[2]. Elle sera plus importante si de lachaleur latente est relâchée par la condensation devapeur d'eau contenue dans la parcelle. En première approximation, la vitesse de déplacement de la parcelle d'air variera comme la racine carrée de l'EPCD. Il est également possible d'obtenir de la convection oblique dans une zone d’instabilité symétrique conditionnelle qui se manifeste seulement dans un plan incliné par rapport à la convection hydrostatique conventionnelle[5].
Ce mouvement ascendant s'accompagne du mouvement descendant d'un volume correspondant d'air plus dense (plus froid) par le même principe. La densité de l'air descendant est supérieure à celle de l'air ascendant ; il y a donc une baisse du centre de gravité du système, interprétable comme une conversion d'énergie potentiellegravitationnelle, enénergie cinétique.
Les quantités d'énergie impliquées dans cette conversion peuvent être considérables et se traduire par des mouvements ascendants et descendants importants, créant de laturbulence. S'il y a condensation, on assiste à la formation de nuages convectifs qui peuvent donner de forts coups devent, desprécipitations intenses et de lafoudre. Si lecisaillement des vents avec l'altitude est favorable à un transfert detourbillon, on peut voir se former destornades. Si le contenu en eau est très important, on peut obtenir despluies torrentielles et même de lagrêle.
On donne à la classe des nuages d'origine convective le nom générique decumulus. Lorsque la couched'air instable est peu étendue verticalement, on a formation decumulus humilis, dit cumulus de beau temps, synonymes d'air ascendant. Si l'EPCD augmente, on passe ensuite aucumulus mediocris, puis aucongestus, le second produisant les averses. Si l'instabilité est plus grande on obtient lecumulonimbuscalvus, pour finir au roi des nuages lecumulonimbus cappilatus incus qui sont synonymes d'un orage mûr et possédant également un cycledescendant de convection.
Chacun de ces nuages est appelé aussi cellule convective. Les orages peuvent être formés de cellules convectives isolées et on parlera alors d'unorage mono ou uni-cellulaire pour ceux peu importants et d'orages supercellulaires pour les autres. Les orages composés de plusieurs cellules convectives se classent en deux catégories, soit lesorages multicellulaires, pour ceux provenant d'une cellule initiale qui se clone, et lessystèmes convectifs de méso-échelle (ligne de grain,Derecho,complexe convectif de méso-échelle,cyclone tropical, etc.), pour celles qui s'unissent à partir d'une genèse distincte.
Les nuages mentionnés ci-dessus se produisent en général dans unemasse d'air assez uniforme ce qui donne une répartition aléatoire des cellules. Si un déclencheur comme unfront, uncreux barométrique, un soulèvement au-dessus d'un obstacle ou même le flux descendant des nuages passe dans le secteur, il peut servir à organiser la convection ou à donner une convection forcée. Des nuages convectifs peuvent également se former dans des systèmes plus stables. Par exemple, à l'avant d'unedépression qui donne de la pluie continue, ditestratiforme, on a souvent dansbandes de précipitations plus intenses associées à des zones convectives dans les niveaux moyens de l'atmosphère. On est alors en présence d'altocumulus castellanus, ou même de cumulonimbus àbase haute (oualtocumulonimbus), imbriqués dans la masse nuageuse.
Finalement, la convection ne se produit pas seulement en été mais on la rencontre en toute saison. Ainsi, dans unetempête de neige les forts chutes se retrouvent souvent sous des cellules convectives imbriquées. Le cas desbourrasques de neige côtières est un autre exemple alors que de l'air très froid passe au-dessus d'étendues d'eau non gelée et donne des cumulus bourgeonnants de faibleextension verticale mais très intenses.
La convection atmosphérique peut se produire sans nécessairement donner des nuages. En effet, elle n'est créée que par la structure thermique et si l'humidité n'est pas suffisante dans la parcelle d'air en ascension, il n'y aura pas decondensation.
Labrise de mer est un exemple typique de cellule convective en air clair. L'air se réchauffe plus rapidement sur terre que sur l'eau et une circulation thermique se développe durant la journée[2]. Lesthermiques qui se développent le long des pentes des montagnes, ou en plaine au-dessus de zones plus chaudes, sont un autre exemple où la différence de réchauffement crée une cellule convective à petite échelle, alors que la génération desalizés provient d'une boucle convective à large échelle[2]. On peut mentionner encore lestourbillons de poussière et les vents générés dans un incendie.
La couche dans laquelle se produit la convection peut être plus ou moins épaisse. En général, les phénomènes convectifs qui se produisent dans une mince couche sous les500 hPa (5 kilomètres d'altitude) sont dits de convection restreinte. Ceux-ci se produisent généralement dans un environnement plus froid avec une couche d'inversion de température marquée en altitude. Dans le cas de convection humide, il s'agit de nuages convectifs individuels de bas niveau ou de systèmes peu étendus mais parfois intenses comme lesdépressions polaires. Dans la convection sèche, elle est associée aux tourbillons de poussière et à la turbulence en air clair de basse altitude[6].
La convection profonde a beaucoup plus de répercussions. Elle occupe une couche dépassant le niveau de pression de500 hPa, souvent perçant latropopause. Cette convection est responsable des orages violents et des systèmes convectifs de large échelle comme les ouragans[6].
La convection peut être déclenchée à partir du réchauffementdiurne ou d'un soulèvement de l'air au sol par un front mais elle peut être aussi être déclenchée en altitude (convection en altitude)[7]. Cette dernière débute par desaltocumulus castellanus formant de tours étroites et dont la base se situe dans l'étage moyen de l'atmosphère et peut se transformer enaltocumulonimbus (terme non officiel) pour engendrer des orages produisant des précipitations importantes.
Les deux peuvent se produire en tout temps mais la convection au sol est souvent par réchauffement au sol et donc diurne, alors que la convection en altitude se produit souvent la nuit partout où le refroidissement des sommets des nuages permet une déstabilisation d'une couche nuageuse en altitude.
La convection thermique redistribue l'humidité et homogénéise la température dans la couche où elle se produit. Ceci influence l'équilibre thermique vertical de la planète en amenuisant la diminution moyenne de température avec l'altitude que l'effet de serre impose à latroposphère. Sans les mécanismes convectifs, le changement serait plus abrupte et donnerait une température moyenne de la surface terrestre plus élevée[2].
À petite échelle, le mélange dans lacouche limite de turbulence atmosphérique permet à de l'air sec au-dessus de cette couche de descendre et de diminuer l'humidité relative au sol, ne permettant que des cumulus de faibleextension verticale qui vont limiter l'ensoleillement. À plus large échelle, l'air chaud en ascension diminue la pression au sol et peut créer desdépressions thermiques en surface, ce qui se produit régulièrement dans les déserts. Ces dépressions s'atténuent en altitude et sont surmontées par unanticyclone[8].
À l'échelle de la Terre entière, le processus provoquant la montée de l'air équatorial humide dans la zone de convergence intertropicale et entretenant de façon cyclique lescellules de Hadley est de nature convective. Ces circulations transportent chaleur et humidité des tropiques vers les latitudes moyennes de 30 degrés N et S, appelée lazone de calmes subtropicaux. La convection est également responsable des régimes climatiques de mousson attenants[2].
Elle joue également un rôle dans la chimie de l'atmosphère, en contribuant à certains transferts d'aérosols ou depolluants des basses couches (troposphère) vers les hautes couches, et inversement (pour l'ozone[9] par exemple).
Sous sa forme bénigne, la convection peut donner auxplaneurs et autres aéronefs non motorisés la poussée ascendante dont ils ont besoin pour se maintenir en vol. Lesmontgolfières utilisent aussi la convection comme moyen de sustentation, en emprisonnant une quantité d'air chaud (moins dense que l'air environnant) à l'intérieur d'un ballon.
Par contre, les forts mouvements verticaux, dans et autour des orages, sont à éviter car ils peuvent produire de laturbulence intense. Cependant, les ascendances à l'avant d'un orage peuvent être extrêmement douces et modérées. Ces conditions sont d'autant plus dangereuses à cause du sentiment de fausse sécurité qu'elles procurent, car elles peuvent dégénérer en très peu de temps[10].De plus, legivrage dans ces nuages est important, car les gouttes y sont ensurfusion. De nombreux avions se sont écrasés à la suite d'un givrage extrêmement rapide des surfaces portantes. Quoique rare, la foudre peut aussi frapper les aéronefs et la grêle peut endommager voire détruire un aéronef[11],[12].
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