Mouvements de masses d'air et cellules de convection atmosphériques : modèle analogique

Benoît Urgelli

ENS Lyon

Benoît Urgelli

ENS Lyon / DGESCO

15/05/2001

Résumé

Modélisation analogique des cellules de convection atmosphériques.


TP de J. Rouressol, Professeur de SVT à l'Externat Sainte Marie à Lyon. Validé par Jean-Louis Dufresne (Laboratoire de Météorologie Dynamique, Jussieu) et Pierre Thomas (Laboratoire des Sciences de la Terre, ENS Lyon).

Objectif

  • Obtenir une atmosphère artificielle dans un espace aérien contrôlé par la superposition de deux récipients transparents superposables, de taille différente
  • Réaliser des pôles thermiques différents dans cet espace atmosphérique contrôlé.
  • Visualiser les mouvements des masses d'air dues aux différentes thermiques en injectant de la fumée.

Matériel et montage

Figure 1. Matériel nécessaire

Matériel nécessaire

  • de la glace pilée fondante
  • eau tiède ou chaude
  • papier fond noir (facilite la visualisation des tourbillons de fumée)
  • pissette pour injection de fumée d'encens dans le modèle ou cigarette
  • 2 saladiers en plastique à fond plat et bords incurvés en rigole (achat BHV, 171 FF) qui s'emboîtent l'un dans l'autre
  • bouchon erlenmeyer percé (diamètre : 1) pour injecter la fumée. Ce bouchon sera placé dans la paroi perforée du saladier externe (le plus grand)
  • pâte à modeler, afin de diviser la rigole du saladier interne en deux gouttières équivalentes, pouvant contenir des liquides de températures différentes.

Figure 2. Mise en place du saladier externe

Mise en place du saladier externe

  • de la glace pilée fondante
  • eau tiède ou chaude
  • papier fond noir (facilite la visualisation des tourbillons de fumée)
  • pissette pour injection de fumée d'encens dans le modèle ou cigarette
  • 2 saladiers en plastique à fond plat et bords incurvés en rigole (achat BHV, 171 FF) qui s'emboîtent l'un dans l'autre
  • bouchon erlen percé (diamètre : 1) pour injecter la fumée. Ce bouchon sera placé dans la paroi perforée du saladier externe (le plus grand)
  • pâte à modeler, afin de diviser la rigole du saladier interne en deux gouttières équivalentes, pouvant contenir des liquides de températures différentes.

Figure 3. Injection de fumée entre les deux saladiers

Injection de fumée entre les deux saladiers

Figure 4. Tout de suite après l'injection...

Tout de suite après l'injection...

Remarque : On pourra également réaliser un trou dans le bas du saladier externe. Sa réalisation peut permettre l'injection de fumée depuis «l'équateur». En le laissant plus ou moins ouvert, on peut avoir de superbes mouvements complexes dues à la fuite thermique accélérée.

Résultats et discussions

Figure 5. Montage vu de dessus : pôle froid, équateur chaud

Montage vu de dessus : pôle froid, équateur chaud

Figure 6. Résultat : des mouvements de fumée

Résultat : des mouvements de fumée

On obtient facilement des cellules de convection (6 à 8), avec parfois un « front vertical d'affrontement des masses d'air ». La fumée se dissipe très vite mais la facilité de réalisation rend possible de nombreuses expériences en faisant varier la température de l'eau chaude, de l'air, etc…. Notez qu'en faisant tourner lentement le grand saladier, on visualise une déformation des cellules de convection...

N'oubliez pas que cette expérience est une analogie. Pour comparer avec les planètes, il faut avoir conscience qu'une différence fondamentale avec le modèle est l'orientation de la gravité, qui est en tout point perpendiculaire au gradient de température (de densité) équateur-pôle, alors que dans le modèle, la gravité est à peu près parallèle à ce gradient. Cela a notamment pour conséquence que sur les planètes, le transport des masses atmosphériques est possible entre l'équateur et les deux pôles alors qu'avec cette expérience ça ne marcherait pas avec le pôle « en bas ».

Tester le rôle du gradient de température

Afin de vérifier que c'est bien la température qui est responsable des mouvements de fumée observés, on peut réaliser à l'équateur du modèle deux compartiments équivalents (grâce à de la pâte à modeler) dans lesquels on placera de l'eau chaude dans l'un et de l'eau froide dans l'autre. La source froide est maintenue au pôle.

On observe alors que les mouvements de convection sont limités au demi-hémisphère dont l'équateur est chaud. Le gradient de température est donc responsable, en partie, de ces mouvements.

Le rôle du champ de gravité

Si on inverse dans le montage la position des sources chaudes et froides (glace à l'équateur (bas du montage) et eau chaude au pôle (en haut)), on observe aucun mouvement de convection, alors que le gradient thermique est présent. La fumée se stabilise en bas du montage. On montre ainsi que l'existence d'un gradient thermique ne suffit pas à expliquer les mouvements. L'orientation du champ de gravité par rapport au gradient thermique et donc au gradient de densité est un paramètre à prendre en compte dans l'explication des phénomènes de convection. Gradient de densité et champ de gravité doivent être opposés.

Mesurer le gradient thermique

Ce montage tel quel peut aussi être utilisé pour la visualisation d'un gradient thermique, soit sous le saladier du bas, soit en utilisant l'espace situé entre les deux cloches, les sondes thermiques étant mises en place grâce aux trous. On peut évidemment perforer le petit saladier et boucher les trous par de la pâte à modeler ou utiliser des bouchons pleins en caoutchouc. Dans une telle configuration thermique (source froide en haut, source chaude en bas) c'est la convection qui domine tout.

Modéliser le circulation thermo-haline

En mettant deux saladiers non troués en position normale et en remplissant l'espace laissé libre entre les deux saladiers par de l'eau (tout en lestant le saladier interne pour qu'il ne flotte pas), on peut obtenir des figures de circulation de fluides colorés ayant des différences de salinité ou thermiques.