Chapitre UN PDF

Preview

Summary

CHAPITRE UN : ATMOSPHERE ET OCEANLes deux enveloppes de la terre fonctionnent ensemble et conditionnent le climat. C’est donc un système climatique qui est composé de l’atmosphère, l’hydrosphère, la biosphère, et la géosphère. Les quatre enveloppes sont en interactions. Trois de ces enveloppent sont...

Description

CHAPITRE UN : ATMOSPHERE ET OCEAN! " Les deux enveloppes de la terre fonctionnent ensemble et conditionnent le climat. C’est donc un système climatique qui est composé de l’atmosphère, l’hydrosphère, la biosphère, et la géosphère. Les quatre enveloppes sont en interactions. Trois de ces enveloppent sont en mouvement (sauf biosphère) et une sous l’influence des 3 autres (Biosphère). !

I.

L’énergie du système Terre - Atmosphère!

"

1. Le Soleil : source d’énergie!

" Le soleil est une source d’énergie pour la Terre qui émet des ondes électromagnétiques. La distance Terre-Soleil est de 150.10^6 km. Le soleil va émettre son énergie dans les 3 dimensions de l’espace de manière uniforme. Cette énergie va s’atténuer avec la distance. L’énergie disponible par unité de surface sur Terre est de 1368W/m2. Comment obtenons cette valeur ? Nous allons utilisé le rayon du soleil (Rs = 0,7.10^6 km), la distance Terre-Soleil et la température (sachant que le soleil est considéré comme un corps noir donc Ts = 5770°K). Les calculs sont sur le diapo. Nous avons calculer la quantité d’énergie émis a la surface du Soleil (ne pas oublié de multiplier par PiR2 car c’est toute la surface). L’énergie produite se propage de partout, sur une sphère de diamètre D autour du Soleil. Nous calculons ensuite la constante solaire Eo qui est l’énergie solaire disponible par unité de surface normale aux rayons solaire sur Terre sans atmosphère : Eo = 1368 W/m2. Toute l’énergie émise par la surface du soleil se propage de manière homogène et traverse ultérieurement une sphère de rayon D. Maintenant, le rayon de la Terre (Rt=6378 km). Nous avons un disque qui représente la Terre : ce disque est de rayon Rt. Ainsi, l’énergie totale que nous allons avoir sur le disque est la valeur Eo x Surface du disque (PiRt2). Cependant, cette énergie reçue sur le disque est redistribuer sur la planète (sphère) car la Terre tourne et toutes les phases de notre planète reçoivent de l’énergie, et , de plus, l’océan et l’atmosphère (vent) peut redistribuer l’énergie. Ainsi, l’énergie totale reçue sur le disque est divisée par la surface de la sphère (car redistribuée). Ainsi, l’énergie qui arrive sur Terre par mètre carré est de 342 W/m2. Notons que l’énergie n’est pas distribuée de la même manière, sur la même surface, du fait de la forme sphérique de la Terre (par exemple, au pôles, nous recevons moins d’énergie par m2 qu’a l’équateur). !

"

2. L’albédo ou que devient l’énergie arrivant sur Terre!

" L’énergie incidente (qui arrive) est absorbée par le sol mais aussi absorbée par l’atmosphère. Dans ces cas la, elle est absorbée sous forme d’énergie. Autre possibilité, cette énergie peut être réfléchie ou diffusée par l’atmosphère, ou par la surface de la Terre. Dans ces cas la, elle est renvoyée vers l’espace. L’albédo c’est le rapport entre l’énergie des ondes électromagnétiques renvoyées par une surface (ce que l’on ne garde pas) et l’énergie des ondes électromagnétiques incidentes (ce que l’on reçoit = 342 W.m2).! " Comment est distribué cet albédo sur la Terre ? Les forts albédos sont retrouvé a des hautes latitudes (car les glaces n’absorbent pas beaucoup d’énergie) contrairement a l’équateur avec beaucoup d’eau (car les océans absorbent beaucoup d’énergie. La moyenne globale de cet albédo est estimé a 0,3 ou 30%. L’albédo varie en fonction Page 1 sur 14

de la saison (car la couverture des sols changent, notamment sur les continents : tableau). L’albédo joue un rôle important dans les donations thermiques et les climats du Globe. !

"

3. Energie incidente, atmosphère, et énergie émise par la Terre!

" Le maximum de l’énergie qui nous arrive du soleil se trouve dans le domaine du visible (50%), 7% des UV et 43% dans le domaine des IR. ! " Notons que l’atmosphère est transparente aux rayonnements visibles mais elle est opaque aux rayonnements IR (ces rayonnements vont être absorbés par les gaz de l’atmosphère comme l’ozone, le méthane, le CO2, ou l’H2O). Les gaz peuvent absorber si la fréquence du rayonnement solaire est similaire a la variation possible de l’énergie des molécules ou atomes de gaz de l’air (les molécules sélectionnent préférentiellement certaines longueurs d’onde : c’est l’absorption sélective du rayonnement). ! " Les rayonnements inférieur a 300 nm sont absorbée par l’ozone et n’arrive pas au sol. Entre 300 et 500, tous arrive au sol de la Terre. Après, une grande grande partie des ondes est absorbée mais certaines ondes des IR passent quand même. Ce qui arrive au sol est donc la quantité reçu moins la quantité absorbée (ce qui est en bleu nuit sur la première partie du schéma). ! " La deuxième partie du schéma est la partie de l’énergie émise par la Terre (sol). La Terre ne réémet que dans les IR, dans les grandes longueurs d’onde (entre 5 et 100 µm). La aussi, les gaz de l’atmosphère absorbent de manière préférentiel certaines longueurs d’ondes. La aussi, il y a une quantité non absorbée, qui retrouve donc vers l’espace. Toute l’énergie renvoyer par le sol et qui reste vers l’atmosphère est en réalité l’effet de serre. L’effet de serre est un phénomène naturel, qui est amplifié par l’Homme. !

"

5. A l’heure du bilan radiatif !!

" Le bilan radiatif est le rayonnement incident absorbé par le sol et l’atmosphère - (moins) le rayonnement IF thermique renvoyé vers l’atmosphère. Afin de maintenir un équilibre entre énergie absorbée et énergie émise, le bilan doit être nul. ! " Quand l’énergie arrive, elle rencontre une masse d’eau et nous perdons une partie (25%). Une partie de l’énergie part ensuite dans l’atmosphère (23%) et une partie va au sol (46%). Parmi les 46% arrivés au sol, 6% sont réfléchis. ! " La Terre émet beaucoup d’énergie : une partie est perdue dans l’atmosphère (9%), une partie est absorbée par l’atmosphère (115%) et part ensuite dans l’espace (60%) ou nous revient (100%). ! " Au niveau du bilan de surface, nous avons 158 W.m2 qui viennent du soleil + 340 W.m2 qui reviennent par l’effet de serre - 392 qui partent par émission. Il y a donc un bilan positif de 106 W.m2. ! " Au niveau de l’atmosphère, nous avons 81 W.m2 qui arrive du soleil + 360 (qui sont émis et stocké dans l’atmosphère) - 340 (renvoyer au sol) - 207 (qui sont renvoyer dans l’espace). Il y a donc un déficit de 106 W.m2. ! " Au niveau du sommet de l’atmosphère, nous avons un bilan nul. Le bilan global est donc nul. ! " Nous avons une déficit énergétique (radiatif) entre l’atmosphère et la surface qui va être composé par des processus non radiatifs faisant intervenir le cycle de l’eau. Nous allons en effet avoir des échanges de conduction thermique de la surface vers l’atmosphère. De plus, nous allons avoir une chaleur latente du a l’évaporation de l’eau : l’évaporation consomme de l’énergie que nous mettons en attente jusqu’a la Page 2 sur 14

condensation de cette eau dans l’atmosphère (libération d’énergie). Ces deux processus permettent d’atténuer l’effet de serre : sans cela, la température a la surface de la Terre serait de 37°C. Cependant, sans l’effet de serre, nous serions a -20°C en moyenne. !

"

6. Zoom sur le déséquilibre d’énergie du système Atmosphère - Terre!

" Nous devons observer que le bilan radiatif est très grand a l’équateur, et diminue vers les pôles. Ceci est théorique. Dans la pratique, nous retrouvons globalement la zone forte a l’équateur mais il y a quelques perturbation liées aux déserts, aux courants, etc .. ! " Ainsi ce rayonnement solaire dépend des saison, du sol, mais aussi du jour et de la nuit. ! " Nous observons aussi que les couvertures nuageuses sont très importantes au pôles, ce qui permet d’arrêter certaines rayons (de l’énergie). Ainsi, l’énergie incidente va dépendre de la couverture nuageuse. De plus, vers l’équateur, il y a aussi une couverture nuageuse car il y a évaporation de l’eau de l’océan (il y a donc un peu moins d’énergie solaire absorbée par le sol). ! " La variabilité en fonction des saisons dépend de l’emplacement de la Terre par rapport au Soleil (quand le pole nord est plus vers le Soleil, Alors c’est l’été Européen et l’hiver Australien par exemple). ! " " Nous avons donc un déséquilibre au niveau des rayons IR : nous avons un excès d’énergie a l’équateur contrairement aux pôles. La nature n’aimant pas les déséquilibres, elle va transférer l’énergie en excès de l’équateur au pole grâce aux mouvements atmosphériques et océaniques. !

II. L’atmosphère actuelle! "

1. Sa structure!

" L’atmosphère possède une stratification définie par les variations de température avec l’altitude. Il y a une densité décroissante avec l’altitude croissante. Il n’y a plus d’effet de gravité sur les molécules de gaz au delà de 500 - 600 km. !

"

"

A. La troposphère!

" C’est dans la troposphère que la vapeur d’eau est accumulée et que les phénomènes météorologiques se déroulent. Elle est environ jusqu’a 10 km de haut. Cependant, cette épaisseur peut varier : elle est de 7 km vers les pôles contre 18 km à l’équateur. Au sien de cette troposphère, nous avons un gradient de 6°C/km : nous sommes a -50°C au sommet des pôles et a -80°C au sommet à l’équateur.! " Entre le sol et 1km d’altitude, nous allons avoir des échanges avec le sol (chaleur, humidité, rayonnement, rugosité (frottements des masses d’airs), le reliefs, etc…) : il y a donc un impact important de l’état du sol. Après 1km , on dit que la troposphère est libre : elle n’est pas dépendante du sol. Notons que la troposphère est séparée de la stratosphère par la tropopause.!

"

"

B. La stratosphère!

" La stratosphère est une couche calme : elle contient la couche d’ozone vers 25 km d’altitude. Il va donc y avoir des réaction chimique exothermique avec l’ozone qui vont réchauffer la température. Elle est séparée de la mésosphère par la stratopause (etc pour les autres limites). !

C. La mésosphère!

"

"

"

Elle est entre 50 et 85km. Il y a une forte diminution de la température.!

"

"

D. La thermosphère!

" Nous avons l’altitude maximal qui est de 500 km. Nous avons un passage de -90°C à 1200°C : c’est le résultat de la faible densité de molécules gazeuses et de l’énergie élevée des chocs. Nous avons

Page 3 sur 14

des rayonnements UV de Corte longueur d’onde avec un rayonnement X, et des particules énergétiques (du a la ionisation des particules de gaz).!

"

"

E. L’exosphère!

" C’est la transition entre l’atmosphère et l’espace libre. Les molécules d’air sont indépendantes les unes des autres et il n’y a plus de notion de température.!

"

2. Sa composition chimique!

" La masse de l’atmosphère est de 5,13.10^18 kg. Il y a 75% de cette masse qui est dans la troposphère (avec beaucoup d’eau) et 50% en dessous de 5,5 km d’altitude. ! " L’air est constitué de 68 à 80% d’azote, 20 % d’oxygène et 1% environ des autres gaz comme le CO2, le CH4. ! " Parmi les gaz présents a 1%, nous avons des gaz rares (He par exemple, du CO2 (370 ppm), le méthane CH4 (0,2 ppm), de l’ozone, ou encore de l’eau : ce sont des gaz a effet de serre (ils sont capable d’absorber les rayons énergétique). On considère que la proportion des gaz est uniforme jusqu’a 100 km d’altitude environ. L’eau représente 60% de ces gaz a effet de serre contre 26% de CO2. Le H20 réagit de manière très importante avec les rayons, les autres moins. ! " Quelles sont les sources des gaz a effet de serre ? Schéma cicontre. Notons que les gaz CFC sont des gaz qui ont surement détruit une partie de la couche d’ozone (trou dans la couche d’ozone) : ils sont donc maintenant interdit a la production (ils n’ont pas de source naturelle). ! " La densité de l’air est deux fois moins élevée a 200 km d’altitude.! " Au niveau de la composition de l’atmosphère des autres planètes : vénus possède beaucoup de gaz a effet de serre (et elle est très proche du soleil donc la température est très élevée) , mars a la même composition que venus mais elle est très loin du soleil donc la température est très inférieur a 0. La terre, elle, possède a la fois des température positives et négatives, ce qui fait qu’elle possède l’eau sous ces trois formes. Ceci permet de cycle de l’eau. ! !

"

3. La pression atmosphérique!

" Elle représente le poids de la colonne d’air s’exerçant sur une surface de 1m2. Ainsi, la diminution de la masse d’air lorsque nous nous élevons créer un gradient négatif quand on s’élève. On a aussi un gradient horizontal de 880 à 1080 hPa. Il ne faut donc pas oublié qu’il y a des gradients horizontal et vertical.! " La pression atmosphérique est une force par unité de surface (N/m2 ou Pa). Les autres unités utilisés contiennent par exemple le Bar (1hPa = 1B). La valeur moyenne au niveau de la mer est de 1013,25 hPa : elle est considérée comme la pression normale. ! " Nous pouvons représenter sur des cartes les champs de pression (différences de pression) avec des lignes (ou surface si c’est en 3D) isobariques ou la pression ne change pas. Notons que les dépressions sont des zones de basses pression et es anticyclones sont des zones de hautes pressions. Nous allons donc projeter sur une carte les écarts de pression. Si nous avons des hautes et des basses pressions, ceci signifie que nous avons des zones avec peu et avec beaucoup de molécules : c’est donc en déséquilibre. Les vents vont déplacer les surplus de molécules pour ré-équilibrer les zones de dépression. ! " Ainsi, il y a des hétérogénéité de la distribution de la pression, mais aussi de l’humidité et de la température. !

Page 4 sur 14

"

4. Les forces à l’origine de sa dynamique!

" Rappelons que le moteur de la dynamique va être le bilan énergétique inégale qu’il va falloir rééquilibrer. Plus de 50% du transfert d’énergie à la surface du globe est assuré par les vents (et le reste pas les courants océaniques). Les vents sont fonction de :! - Des variation de la quantité d’énergie disponible! - Du champ de pression lui-meme dépendant de la température! - La rotation de la Terre (force de Coriolis)! - La repartissions des masses continentales et océaniques (propriétés thermiques, relief, …)!

"

"

A. Force de pression, gravité et frottements!

" La force de pression est liée aux variation de pression dans l’atmosphère. Sur le schéma ci-contre, nous avons deux carrées (surface isobare) avec des pressions différentes (une pression et une pression plus importante) : il va donc y avoir une force de pression qui va mettre en mouvement les molécules de la pression la plus forte a la pression la plus faible. C’est donc un moteur pour les vents. ! " La force de Coriolis est liée a la rotation de la Terre. Elle se calcule comme ceci. ! " La force de frottement s’oppose aux mouvements des particules (Rfrottement). ! " Le total de toutes ces force est l’accélération, verticale vers le bas (g).!

"

"

B. La force de Coriolis!

" La force de Coriolis est la force qui s’applique a un objet lors d’un mouvement. Pour la Terre, le mouvement est la rotation. La trajectoire des molécules en mouvement, sur un objet (la Terre) en rotation, va être courbe. C’est une force dite fictive, sans réalité physique. C’est une force d’inertie s’apiquant aux corps en mouvement se déplaçant sur un support Den mouvement de rotation. Le referenciel d’observation de ce mouvement est lié à l’objet en rotation. ! " Notons que la force de Coriolis ne s’applique pas a l’équateur. !

"

"

C. Définition du vent géostrophique!

" Le vent géostrophique .. Qu’est ce que c’est ? Nous allons emmener des hypothèses : Soit la vitesse du vent est constante, soit les forces de frottements son nulles. Le vent géostrophique résulte de l’équilibre entre la force de pression et la force de Coriolis (car suppression de la force de frottement) et est proportionnelle au gradient de pression.! " A l’équateur, nous avons la somme des forces qui est de zéro. Nous allons négliger g car c’est une force verticale et que nous nous intéressons aux forces horizontales. Ainsi, nous savons Fpression = Fcoriolis. De manière géométrique, nous trouvons que les vent géostrophiques (vert) sont parallèle aux isobares, vers la droite (pour l’hémisphère nord) ou vers la gauche (pour l’hémisphère sud). ! " Par la suite, on reprends la formule et on réintègre les hypothèses (les forces de frottements par exemple) qui nous ont permis de simplifier la formule.!

"

"

D. Zoom sur les forces de frottements!

" L’influence des forces de frottements sont non négligeable pour les couches atmosphériques proches du sol. Cette force va être a l’opposé du déplacement Vg des particules du vent géostrophique

Page 5 sur 14

mais un peu en biais (car force de Coriolis fait que le vent est dévié par les relief des continents) : le vent est donc dévié vers la gauche. Ce vent recoupe les lignes isobares avec un certain angle ⍺. !

"

"

E. Le sens de circulation des masses d’air!

" A l’échelle d’une cellule au niveau du sol, ca donne ceci. Pour l’anticyclone dans l’hémisphère nord, nous allons avoir la force de pression est du centre de l’anticyclone a l’extérieur. Nous avons la force de Coriolis qui est déviée et les force de frottements aussi : ceci forme donc des cellules en cercle. ! " En hémisphère Nord, les vents tournent de manière horaire pour les anticyclones (a la surface du sol) et de manière non horaire pour les dépressions. C’est l’inverse pour l’hémisphère Sud. C’est uniquement au sol.! "" Il y a la règle de Buys-Ballot qui établie la relation entre la circulation des masses d’air et le champs de circulation atmosphérique.! "" Si nous regardons de manière plus globale (Hors du sol, en 3D), nous avons un peu l’impression que l’air au centre de l’anticyclone est chassé vers l’extérieur de la cellule : on permet donc un courant d’air descendant. Il y a donc formation d’une hautes pressions au niveau du sol. Pour la dépression c’est l’inverse : on amène de l’air au coeur de la dépression et cette air est ensuite amener vers le haut. C’est le courant ascendant : il y a donc formation de basses pressions au sol. ! " Nous avons une remontée de l’air humide au niveau de la dépression. Ceci crée de la condensation, formation de masse nuageuse, et donc de la pluie dans la zone dépressionnaire. Pour les anticyclones, nous avons courant descendant d’air sec.!

"

5. La circulation atmosphérique globale!

" Lorsque nous regardons sur une carte plate, nous parlons d’une circulation zonale Est-Ouest (vents alizés venant de l’Est) et d’une circulation méridienne Nord-Sud. ! !

"

"

A. La circulation zonale!

" Tous les vents alizés convergent vers l’équateur : c’est la zone de convergence intertropicale. Ces alizés circulent a basse altitude (vers 3000 m) et naissent aux niveaux des zones anticycl onique (environ 30° de lati tude). L’équateur est une zone dépressionnaire. Il y a une alternance dépression - anticyclone. ! " Quand nous nous éloignons de cette zone, nous avons les vents d’ouest sous l’influence des centres dépressionnaires. Ces vents la nous amènent de l’air chaud et humide. Nous avons donc des zones tempérées. ! "Nous avons ensuite des zones polaires. C’est zones sont des zones d’anticyclones thermiques. Pourquoi des anticyclones thermiques ? Nous avons la glace froide qui va refroidir l’air. Cet air va être attiré vers le sol car il est plus dense : c’est donc un courant descendant d’air froid. ! "Cependant, ce modèle ne tient pas compte des relief. Si on tient compte des relief, nous allons avoir un modèle différent. ! "" Notons que la zone intertropicale n’est pas la même selon les saison : en effet, durant l’été de l’hém...