L’eau existe dans l’atmosphère sous ses trois phases (gazeuse, liquide et solide) et passe sans cesse d’un état à l’autre. L’ensemble des transformations de changements d’état peut être résumé sur le schéma suivant :

L’atmosphère est le mélange d’air sec et de vapeur d’eau. Ce mélange est aussi l’air humide. Il existe plusieurs manières d’exprimer la quantité de vapeur d’eau présente dans l’atmosphère :

Humidité absolue

Il s’agit tout simplement de la masse de vapeur d’eau dans un volume unité (1 m3). L’humidité absolue est exprimée en (g /m3).

Humidité spécifique

L’humidité spécifique est la masse de vapeur d’eau contenue dans 1 kg d’air humide. Peu utilisée en pratique, l’humidité spécifique est intégrée dans les modèles de prévision.

Rapport de Mélange

Le rapport de mélange est la masse de vapeur d’eau contenue dans 1 kg d’air sec.

Pression partielle de vapeur d’eau

Cette pression est de l’ordre de quelques dizaines d’hectopascals.

Plus l’air est chaud, plus il peut contenir de la vapeur d’eau.

A -30°C, l’air peut contenir (humidité absolue) jusqu’à 0,4 g de vapeur d’eau par m3 d’air.
A -10°C, l’air peut contenir (humidité absolue) jusqu’à 2,2 g de vapeur d’eau par m3 d’air.
A 0°C, l’air peut contenir (humidité absolue) jusqu’à 4,8 g de vapeur d’eau par m3 d’air.
A 10°C, l’air peut contenir (humidité absolue) jusqu’à 9,4 g de vapeur d’eau par m3 d’air.
A 20°C, l’air peut contenir (humidité absolue) jusqu’à 17,2 g de vapeur d’eau par m3 d’air.
A 30°C, l’air peut contenir (humidité absolue) jusqu’à 30,4 g de vapeur d’eau par m3 d’air.
A 40°C, l’air peut contenir (humidité absolue) jusqu’à 50,8 g de vapeur d’eau par m3 d’air.

C’est le rapport de l’humidité absolue réelle sur l’humidité absolue maximale possible à une température donnée.

Considérons un petit volume d’air à 20°C contenant une humidité absolue de 9,4 g/m3. On suppose aussi dans ce paragraphe que la pression atmosphérique reste constante.

Son humidité relative vaut HU = 9,4/17,2 = 55%.

Supposons que la température passe à 30°C.

Son humidité relative vaut alors 9,4/30,4 = 30%.

Si sa température baisse à 10°C, son humidité relative vaut HU = 9,4/9,4 = 100%. Dans ce cas, l’air est saturé. La température à laquelle notre volume d’air devient saturé (HU = 100%) s’appelle la température du point de rosée. Si la température continue de baisser, la vapeur d’eau se condensera en gouttelettes d’eau. Par exemple si la température atteint 0°C, l’air ne peut pas contenir plus de 4,8g/m3 de vapeur d’eau. Par conséquent, il s’est condensé 4,6 g/m3 (9,4 – 4,8 g/m3) d’eau dans l’atmosphère. Le refroidissement est l’un des facteurs de la condensation.

Les sources de la vapeur d’eau atmosphérique sont essentiellement les océans, les mers, les lacs … Très présente dans les basses couches de l’atmosphère, elle diminue avec l’altitude. Elle est quasi inexistante dans la stratosphère.

L’humidité absolue est maximum dans les régions équatoriales car l’air est chaud et est minimum dans les régions polaires. Quant à l’humidité relative, les valeurs sont élevées à l’équateur, diminue généralement dans les régions tropicales (pas systématique), et augmentent dans les régions des moyennes latitudes et polaires. Pour un air froid, l’humidité absolue est faible, mais l’humidité relative est forte. Il faut « peu de chose » pour que l’air froid soit saturé.

L’humidité relative subit des variations journalières. Si l’on considère une journée calme, l’humidité relative est maximale à l’aube et minimale dans l’après midi. Cette amplitude de l’humidité relative est très marquée dans les déserts.

Le refroidissement de l’air et l’augmentation de la quantité de vapeur d’eau à une température donnée sont les deux facteurs de la condensation.

La nuit, le sol se refroidit et si sa température atteint le point de rosée, la condensation peut avoir lieu. Si le vent est nul et la température positive, le refroidissement ne concerne que les premiers centimètres de l’atmosphère et on observe un dépôt de rosée sur le sol.

Si la température poursuit sa chute et devient négative, la rosée gèle : c’est la rosée blanche. Lorsque que la saturation a lieu par température est négative, la vapeur d’eau se condense directement en glace : c’est la gelée blanche.

Si le vent est faible, le refroidissement concerne un volume d’air plus important et on a la formation de brouillards. Par température négative, les gouttelettes constituant le brouillard sont en état de surfusion (eau liquide par température négative), état très instable : au moindre choc, les gouttelettes se solidifient en particulier sur les objets, arbres, … on parle de givre et de brouillards givrants. Les brouillards se dissipent généralement le jour grâce au réchauffement du sol par le rayonnement solaire. Toutefois, en hiver lorsque le soleil est bas, le brouillard persiste.

Lorsque un volume d’air s’élève, celui-ci se refroidit et peut entraîner la condensation de la vapeur d’eau et la formation des nuages (voir dossier les nuages).

Enfin pour une température donnée, la quantité de vapeur d’eau peut augmenter dans l’air au dessus des rivières, des fleuves, des mers et conduire à la formation de brouillard. C’est le cas lorsque la température de l’eau est supérieure à celle de l’air comme par exemple au petit matin le long des vallées fluviales.