3. Quelques elements sur la couche limite atrnospherique
125
Les effets de couche limite entrainent la forte turbulence de la CLA :
• la couche limite dynamique est liee aux effets de frottement induits par
la condition dadherence au sol pour Ie vent, V == "Vsol (on parle aussi de
generation mecanique de la turbulence) ;
• la couche limite thermique est liee aux cycles de temperature du sol.
3.4.1.1 Couche limite dynamique
La couche limite dynamique est associee a la stratification verticale du
champ horizontal de vitesse (cisaillement) au voisinage du sol, du fait de la
condition cl'adherence.
Au-dessus de cette couche limite dynamique, Ie champ horizontal de vent
est a peu pres constant et determine par les gradients horizontaux de pression
(vent qeostrophique, section 3.5).
Un bon indicateur de turbulence est donne par Ie rapport des forces d'inertie (convection et pression), destabilisatrices, sur les forces d'origine visqueuse
(diffusion), stabilisatrices, dans I'equation dcvolntion de la vitesse (section 3.5)
Bu/Bt + u . \lu == v!1u + ... (u vitesse du vent, v viscosite cinematique). Le
nombre de Reynolds est alors defini par
(3.22)
ou U est une echelle de vitesse et L une echelle de longueur. Des valeurs typiques
dans la CLA sont U ~ 10 m s-l, L ~ 1000 m et v ~ 10- 5 m
2
s-l. On obtient
alors R; ~ 10
9 , ce qui indique un milieu fortement turbulent.
3.4.1.2 Couche limite thermique
L'experience classique illustrant ce phenornene est celIe de Rayleigh-Benard.
Elle consiste a chauffer progressivement deux plaques horizontales separees
d'une longueur L aux temperatures T (plaque inferieure) et T + DT (plaque
supericurc). Si DT > 0, Ie profil de densite de l'air entre les deux plaques est
stable (I'air chaud, plus leger, est au-dessus). Ce profil est instable dans Ie cas
contraire et on a generation de mouvements convectifs du haut vers Ie bas.
Un bon indicateur de turbulence est Ie nombre de Rayleigh
9 L
3
DT
R - - - -
a -
T v VB '
(3.23)
ou VB est la diffusion thermique. L'ecoulernent est turbulent pour des valeurs
de R; fortement negatives (par exemple inferieures a -50000).
Une application ala CLA avec T ~ 300 K et VB ~ 2 X 105
m
2
s-l conduit a
une valeur critique du differentiel de temperature de l'ordre de 1012
K. Cette
valeur est evidcrnmcnt amplement dcpassce en realite : des que Ie gradient
vertical de temperature est negatif"; la turbulence (le brassage convectif) se
1 On a vu que la bonne notion est plutot celle de temperature potentielle.
125
Les effets de couche limite entrainent la forte turbulence de la CLA :
• la couche limite dynamique est liee aux effets de frottement induits par
la condition dadherence au sol pour Ie vent, V == "Vsol (on parle aussi de
generation mecanique de la turbulence) ;
• la couche limite thermique est liee aux cycles de temperature du sol.
3.4.1.1 Couche limite dynamique
La couche limite dynamique est associee a la stratification verticale du
champ horizontal de vitesse (cisaillement) au voisinage du sol, du fait de la
condition cl'adherence.
Au-dessus de cette couche limite dynamique, Ie champ horizontal de vent
est a peu pres constant et determine par les gradients horizontaux de pression
(vent qeostrophique, section 3.5).
Un bon indicateur de turbulence est donne par Ie rapport des forces d'inertie (convection et pression), destabilisatrices, sur les forces d'origine visqueuse
(diffusion), stabilisatrices, dans I'equation dcvolntion de la vitesse (section 3.5)
Bu/Bt + u . \lu == v!1u + ... (u vitesse du vent, v viscosite cinematique). Le
nombre de Reynolds est alors defini par
(3.22)
ou U est une echelle de vitesse et L une echelle de longueur. Des valeurs typiques
dans la CLA sont U ~ 10 m s-l, L ~ 1000 m et v ~ 10- 5 m
2
s-l. On obtient
alors R; ~ 10
9 , ce qui indique un milieu fortement turbulent.
3.4.1.2 Couche limite thermique
L'experience classique illustrant ce phenornene est celIe de Rayleigh-Benard.
Elle consiste a chauffer progressivement deux plaques horizontales separees
d'une longueur L aux temperatures T (plaque inferieure) et T + DT (plaque
supericurc). Si DT > 0, Ie profil de densite de l'air entre les deux plaques est
stable (I'air chaud, plus leger, est au-dessus). Ce profil est instable dans Ie cas
contraire et on a generation de mouvements convectifs du haut vers Ie bas.
Un bon indicateur de turbulence est Ie nombre de Rayleigh
9 L
3
DT
R - - - -
a -
T v VB '
(3.23)
ou VB est la diffusion thermique. L'ecoulernent est turbulent pour des valeurs
de R; fortement negatives (par exemple inferieures a -50000).
Une application ala CLA avec T ~ 300 K et VB ~ 2 X 105
m
2
s-l conduit a
une valeur critique du differentiel de temperature de l'ordre de 1012
K. Cette
valeur est evidcrnmcnt amplement dcpassce en realite : des que Ie gradient
vertical de temperature est negatif"; la turbulence (le brassage convectif) se
1 On a vu que la bonne notion est plutot celle de temperature potentielle.