Sur cette vidéo, on peut observer l’aile d’un avion de ligne qui passe d’un air instable (des turbulences légères font vibrer l’aile) à un air stable (exempt de turbulences). Un air instable est un air dans lequel des turbulences sont générées par des phénomènes de convection.

La formation d’un nuage est souvent la conséquence de l’instabilité de l’air. Dans cet exemple, Le stratocumulus se situe au sommet de la masse d’air instable et au dessous d’une masse d’air stable.

Un principe simple explique l’instabilité : l’air chaud a tendance à s’élever dans l’air froid. Comprendre en détail ce qui se passe n’est pourtant pas évident car un deuxième phénomène vient diminuer la capacité de convection de l’air chaud : en s’élevant, la pression du gaz diminue ce qui abaisse sa température.

Nous allons considérer un volume d’air chauffé et qui se trouve donc dans un environnement qui est plus froid que lui. Souvent cet air est chauffé par conduction au contact d’un sol qui absorbe un rayonnement lumineux.

Lorsque un tel volume d’air s’échauffe, sa masse volumique diminue. Alors il s’élève. Mais il subit alors ce que l’on appelle une détente (sa pression diminue) et comme tout gaz qui se détend, il se refroidit. Mais alors :

si il s’est refroidit, l’air continue-t-il à monter ?

Un critère est déterminant : il continue son ascension si il est plus chaud que l’air ambiant. Notons d’abord que s’il est monté, il se retrouve généralement dans un air environnant lui même plus froid qu’au point départ. Cela participe à la dynamique d’ensemble.

Si sa température devient égale à celle de l’air ambiant, il s’arrête de monter. On dit alors que l’atmosphère est stable. Dans ce cas les mouvements de convection restent d’ampleur très modeste.

Quand peut-on dire que l’air est stable ?

Pour comprendre : Le modèle de la bulle d’air convectif

Certaines conditions atmosphériques sont favorables à la stabilité. L’air peut bloquer les phénomènes de convection si par exemple sa température ne diminue pas trop avec l’altitude. L’atmosphère standard prévoir un gradient de -6°C pour 1000 m de dénivelé positif. Dans la vraie vie, ce gradient peut être sensiblement moins marqué voir même positif. On observe en effet parfois :

• la présence de  couches isothermes. Ce sont des couches d’air dans lesquelles la température reste constante sur une certaine hauteur.
• la présence de  couches d’inversion. Ce sont des couches d’air dans lesquelles la température augmente lorsque l’on monte. Cela arrive essentiellement pendant les mois d’hiver.

Sur le schéma « conditions de stabilité » on peut considérer une bulle d’air convectif qui perd 2°C par détente lorsqu’elle s’élève. L’air environnant perdant 1°C sur le même dénivelé, les températures deviennent égales et l’air stoppe son ascendance. Il est stable.

La stabilité peut être aussi due à la faiblesse des échanges d’énergie. Par exemple, en hiver, puisque le rayonnement solaire est moins puissant, les masses d’air sont plus stables.

A quoi peut-on reconnaitre un air stable ?

Les nuages se formant dans une telle atmosphère ont une forme aplatie et leur nom contient la composante « strato »

Quand peut-on dire que l’air est instable ?

Pour comprendre : Le modèle de la bulle d’air convectif

Si la température de l’air en convection, tout en diminuant, reste supérieure à celle de l’air ambiant, sa masse volumique reste inférieure à celle de l’air ambiant et il continue sa montée. On dit alors que l’atmosphère est instable et le courant de convection peut se développer verticalement sur plusieurs centaines de mètres à la grande joie des amateurs de vol libre (planeur).

Si, en se refroidissant, la bulle d’air atteint son point de rosée elle va donner naissance à un nuage.

A quoi reconnait-on un air instable ?

Un air instable  aboutit généralement à la formation de nuages en forme de choux fleur. Leur nom contient la racine « cumulo » ou « cumulus ». Il doivent leur forme caractéristique à ce que que l’air atteint la saturation tout en prenant de la hauteur.

Un air instable  peut (plutôt en été) poursuivre son ascension jusqu’à la tropopause où celle-ci est stoppée puisque  la tropopause est une couche isotherme. La forme en enclume des cumulonimbus montre cette limite.

Pour finir, on peut signaler qu’un air est instable si une source d’énergie permet son ascension. La survenue d’un front chaud ou froid, ou  un fort éclairement solaire sont des conditions favorables. Dans ce dernier cas, cela débute en milieu de journée par l’apparition de cumulus, et peut évoluer en fin de journée vers une instabilité plus marquée avec l’apparition de nuages d’orage (les cumulonimbus).