Cours - Astronomie SA pt.2 PDF

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Notes de cours L1 S1 du professeur S. Alfaro (2020-2021)
Deuxième partie...

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Structure et dynamique de la Terre PARTIE II Stéphane Alfaro

LE CLIMAT DE LA TERRE

I.

Système climatique

Climat = résultat moyen d’un ensemble complexe d’interaction entre les différentes composantes du système climatique. Système climatique =

Epaisseur atmosphère ≈ une centaine de km. Flux continu de rayonnement solaire. Une partie est absorbée par l’atmosphère, une autre est réfléchi et la majorité est capté par la surface terrestre. Terre émet un rayonnement infrarouge qui en faible quantité sort de notre atmosphère. La majeure partie de ce rayonnement est retenu par les gaz (à effet de serre -> ex CO2) de l’atmosphère et est réfléchi en direction de la Terre (surfaces continentales) -> effet de serre. Cela permet un maintien de température.  CO2 de l’atmosphère présent naturellement grâce au volcanisme mais accentué par l’activité humaine. Lors des précipitations, CO2 se retrouvent dans les océans (hydrosphère) et lorsqu’il y a évaporation (plus ou moins importante en fonction du climat) il se retrouve à nouveau dans l’atmosphère.  Interactions continent-atmosphère-océan. 

Sens effet de serre, température moyenne terrestre : -18°C et avec effet de serre : +15°C



Calottes glacières réfléchissent beaucoup plus de rayons solaires que les continent et l’eau donc elles limitent le réchauffement climatique.

Cercle vicieux : réchauffement climatique ++ -> température de la Terre augmente - > glaces fondent/s’évaporent -> réchauffement climatique ++ -> CONTRE-REACTION POSITIVE

Pareil pour l’évaporation de l’eau qui est un gaz à effet de serre, cela entraine la formation de nuages qui vont bloquer l’entrée des rayons solaires et entrainer un refroidissement de la Terre. Différents types de cycles :  

Cycle diurne : lié au moment de la journée (nuit/jour) -> Rotation Terre sur elle-même Cycle saisonnier : lié distance Terre-Soleil et à l’axe de rotation de la Terre ->



Période glacières / interglaciaires

Périodes chaudes à peu près tous les 100 000 ans.

II.

Bilan radiatif global du système Terre

Rayonnement du corps noir (absorbe totalement un rayonnement) : Loi de Stefan :

 Plus un corps est chaud plus il émet un rayonnement important. Loi de Wien : λ(m) =

2,9. 103 T

Domaine du visible de 0 ,4 à 0,8 µm Rayonnement Terre = 15°C -> 288 K 10 µm (domaine de l’IR) Rayonnement Soleil = 5770 K 0,5 µm (domaine du visible)  Plus un corps est chaud, plus sa longueur d’onde est courte. 

Constante solaire = puissance reçue du Soleil par unité de surface perpendiculaire aux rayons solaires sur la surface terrestre sans atmosphère (ou à son sommet). Valeur moyenne déterminée par satellite : Fso ≈ 1366 W/m² Puissance interceptée = πRT² x Fso

Réflectivité de la Terre (Albédo) = fraction du rayonnement solaire incident renvoyé (réfléchi) vers l’espace et ne jouant aucun rôle dans le bilan énergétique de la planète. Pourcentage de réfléchissement de différentes surfaces : Nuages ≈0.6 % Glace 0.9 % Eau 0.06-0.1 % Terre 0.31 % Cela signifie que 69% du rayonnement solaire est absorbé par la Terre. Puissance captée = πRT² x Fso x (1-A)

Au « sommet » de l’atmosphère, il y a 342 Wm-² de surface terrestre moyen de rayonnement solaire. ( ?) Seule la moitié de se rayonnement (168 Wm-²) est absorbé à la surface de Terre. 390 Wm-² de rayonnement IR sont émis par la surface terrestre et 324 Wm-² d’entre eux reviennent en raison de l’effet de serre. Bilan radiatif = 102 Wm-² -> bilan pas équilibrer car sinon il serait nul, donc chaque m² reçoit plus d’énergie solaire qu’il n’en perd. Comment est-il possible que la surface terrestre n’augmente pas plus alors ? Grâce à la convection et l’évapotranspiration (24+78 = 102) qui compense cet excédent de radiation. Convection : transfert thermique direct d’un milieu chaud (surface terrestre) vers un milieu froid (atmosphère). Ce transfert va réchauffer les basses couches de l’atmosphère qui vont s’élever (car moins dense) et être remplacer par des couches plus froides -> mvmts de convection. Evapotranspiration : changement d’état endothermique (consomme une partie de l’énergie radiative) eau liquide-eau gazeuse + transpiration des végétaux soumis à un stress hydrique (augmentation de la température) La condensation (nuage) de l’eau à des niveaux bas de l’atmosphère fait que l’atmosphère ne se refroidit pas. Latitude fait que le bilan énergétique n’est pas homogène partout à la surface terrestre : températures élevées près de l’équateur et qui diminues près des pôles.





Forme sphérique de la Terre fait que pour 2 flux identiques mais l’un arrivant à l’équateur et l’autre à l’hémisphère nord, lorsqu’il arrive sur l’hémisphère nord, ce flux est réparti sur une plus grande surface qu’à l’équateur. Idem pour l’épaisseur de l’atmosphère : atmosphère plus épaisse à l’hémisphère nord qu’à l’équateur donc flux solaire doit parcourir plus de « distance » et est plus absorbé. (Albédo ++ dans des latitudes élevées)

Au niveau de la zone intertropicale il y a des excédant de rayonnement et il est déficitaire au niveau des pôles. Il y a donc un pb d’équilibre de répartition de cette énergie. Pour redistribuer cet excédant d’énergie intertropical, il va y avoir mise en place d’un système pour l’apporter vers les zones déficitaires -> mise en mouvement des enveloppes fluides. III.

Enveloppes fluides et leur circulation

Mise en mouvement des océans et de l’atmosphère terrestre va permettre le transport d’énergie des zones excédentaires vers les zones déficitaires.

CIRCULATION DE L’ATMOSPHERE Atmosphère : (voir schéma) 90% de la masse de l’atmosphère est dans les 10 premiers km Epaisseur environ 100 km

Mouvements de l’atmosphère peuvent être décomposer en une composante méridienne (sud-nord) et une composante zonale (ouest-est). Composante méridienne : Masses d’air du sud (air chaud) et du nord (air froid) vont venir converger en une zone de convergence. Cela va créer deux cellules de Hadley. Au niveau de cette zone de convergence vont se former des nuages dues à l’évapotranspiration. En raison de l’abondance de nuage, cela va entrainer de fortes précipitations -> zone de convergence intertropicale.

Zone de subsidence : là ou descendent les masses d’air froid -> réchauffement -> zones arides (ex : déserts)

F = cellule de Ferrel -> composante zone Ouest [entre 30 et 60°N et entre 30 et 60°S] P = front polaire H = cellule de Hadley -> composante zonale Est (alizés) [dans la zone intertropicale] Plan méridien : Cellule très énergique -> C Hadley, cellule qui redistribue l’excédent -> C Ferrel + front polaire

Circulation zonale : plus importante que la circulation méridienne

Force de pression : Au niveau des (+) -> zone de forte pression et (-) -> zone de faible pression. Fluide va avoir tendance à fuir les pressions fortes pour aller vers les pressions plus faibles.

Force responsable de la mise en mvmt des masses d’air dans l’atmosphère = formation des vents Force de Coriolis : résulte du fait que la Terre tourne sur elle-même. Elle est perpendiculaire au mouvement (donc à l a vitesse). Elle est dirigée vers la droite du mvmt (hémisphère nord) ou vers la gauche (hémisphère sud). Son intensité est proportionnelle à la vitesse. De manière générale cette force est négligeable sauf pour les fluides qui parcourent de longue distance.

Mousson : Zone de convergence intertropicale vers l’Himalaya (en été) et vers le sud (en Hiver). Là où les masses d’air du nord et du sud se rejoignent. Cette zone agit comme une barrière. En hiver : descente des masses en provenance de l’Himalaya qui vont donc se réchauffer (climat sec). En hiver, zone intertropicale remonte vers le nord (au-dessus de l’Himalaya), les masses d’air en provenance du sud vont pouvoir remonter. Ces masses d’air chargés en vapeur d’eau qui vont se transformés en nuages et entrainer de fortes précipitations.

CIRCULATION DES OCEANS Océans = 70% de la surface terrestre. Pas répartis de manière homogène à la surface du globe : 67,5% dans l’hémisphère Sud et 32,5 % dans l’hémisphère Nord (car plus de terres dans l’HN)

Circulation de surface :  

Gyre (= tourbillon marin à l’échelle d’un bassin océanique formé par la réunion d’un ensemble de courants). Environ 9 à la surface du globe Golf Stream (courant qui remonte de la Floride et qui va vers l’Europe) : se sépare en 2 branches -> une qui va compléter la gyre et l’autre qui va remonter vers le Nord (Dérive Nord Atlantique)

Dans l’hémisphère Nord : gyres tournent dans le sens des aiguilles d’une montre et dans l’hémisphère sud c’est l’inverse.

Circulation atmosphérique de surface

Circulation océanique de surface

Similitude entre les 2 circulations de surface : circulation océanique est enfaite due à la force de frottement exercée par le vent sur les océans. Différence entre courants océaniques et courants atmosphériques :  

Courant atmosphérique peut aller sur les continents alors que courants océanique bloqué par les côtes. Air plus léger que l’eau donc masses d’airs peuvent se déplacer beaucoup plus vite que les masses d’eaux

Courant circumpolaire : Débit du circumpolaire : 180 Mm3/s -> à lui seul, il à un débit plus de 100 fois supérieur à celui de tous les fleuves

Circulation profonde / circulation thermohaline : Circulation avec une double origine -> origine thermique et origine lié à la salinité Dérive N-A : courant de surface qui remonte vers le nord va perdre sa chaleur et sa température va baisser. Cette baisse va entrainer une augmentation de la densité de l’eau. En se rapprochant du pôle, l’eau va se transformer en glace et perdre une partie de sa salinité ce qui va encore plus l’alourdir. Ces eaux de surfaces vont être trop lourde et vont aller en profondeur.

Question : Que se passerait-il si la calotte polaire arctique disparaissait du fait du réchauffement de la planète ? Réchauffement de la planète -> fonte de la calotte polaire -> eau liquide de surface ne va plus se transformer en glace -> plus de rejet de sel donc pas d’augmentation de la densité -> plus de plonger de l’eau => pas de circulation thermohaline Golfe Stream = apport de chaleur -> s’il n’y a plus de circulation thermohaline alors hiver plus froid

IV.

Exemple couplage océan-atmosphère : ENSO (El Nino Southern Oscillation et North Atlantic Oscillation

Hors événement El Niño, les alizés de sud-est sont bien établis sur la face nord de l'anticyclone de l'île de Pâques (l'équivalent de l'anticyclone des Açores dans l'Atlantique nord). Ces vents réguliers, qui soufflent d'est en ouest, entraînent les eaux chaudes de surface vers l'ouest. Le déplacement des eaux chaudes provoque une remontée des eaux profondes, froides, à l'est du Pacifique, le long des côtes du Pérou. Sur la carte des températures de la mer apparaît, le long de l'équateur, une langue froide caractéristique. Aux eaux chaudes est liée une ascendance de l'air entraînant la formation de nuages et de précipitations ; aux eaux froides, une descendance de l'air entraînant son assèchement. Lors d'un épisode El Niño, les hautes pressions du Pacifique Sud diminuent. Les alizés faiblissent, voire se renversent. Les eaux chaudes de surface, accompagnées de nuages et de précipitations, refluent de l'ouest vers l'est. Ainsi, lors des situations El Niño, des conditions sèches se développent sur l'Indonésie et sur l'Australie, les tempêtes tropicales et les ouragans apparaissent beaucoup plus à l'est qu'à l'habitude et viennent affecter la Polynésie française, tandis que les côtes du Pérou connaissent d'inhabituelles

précipitations provoquant inondations et glissements de terrain. De plus, le poisson déserte les eaux côtières d'Amérique du Sud, les eaux chaudes étant beaucoup plus pauvres en nutriments que les remontées d'eaux froides habituelles.

V.

Climat du passé

Pour comprendre comment le climat de la planète peut être amené à varier, il faut revenir à la température d'équilibre d'une planète donnée par : , avec Tp la température d'équilibre, Fso la constante solaire, alpha l'albédo de la planète, sigma une constante, to la transparence de l'atmosphère dans le domaine IR. La constante solaire dépend elle -même de : , avec Ts la température de surface du soleil, Dps la distance soleil-planète en mètres. Plusieurs possibilités pour observer une variation du climat :  Soit la constante solaire va varier, par exemple lorsque l'activité du soleil varie ou que les caractéristiques des trajectoires de la terre autour du soleil sont amenées à changer.  Soit parce que l'albédo change.  Soit parce que la transparence de l'atmosphère dans le domaine IR est amenée à changer. Variations de la constante solaire sont naturelles, l'homme n'a aucun effet dessus. On peut modifier l'albédo en faisant fondre les calottes de glaces, on va modifier la réflectivité du système. En revanche, si on a une éruption volcanique majeur, cette éruption va rejeter dans l'atmosphère de grandes quantités de particules qui vont modifier la transparence de l'atmosphère, elles vont faire qu’une partie importante des rayonnements solaires vont être réfléchie. Cela contribue à modifier l'albédo du système. Transparence de l'atmosphère dépend essentiellement de la quantité de gaz à effets de serres dans l'atmosphère. Homme en train de modifier cette transparence en augmentant les gaz à effet de serre et donc en diminuant la transparence de l'atmosphère -> augmentation de la température d'équilibre => réchauffement climatique.

Parmi les forçages naturels, on a l'activité solaire, les forçages orbitaux (modifications de l'orbite de la terre autour du soleil) et les éruptions volcaniques. Constante solaire mesurer à la surface de l'atmosphère va évoluer au cours du temps sur un cycle qui est d'environ 11 ans et qui est parfaitement corrélé avec le nombre de tâches solaire à la surface du soleil. Cycle de 11 ans n'est pas parfait. Si on regarde ce qu'il s'est passer sur une période de 400 ans, entre 1600 et 2000, on s'aperçoit qu'il y a une variation à peu près cyclique sur 11 ans mais pendant environ 100 ans, entre 1600 et 1700, il n'y avait pas de tâches à la surface du soleil. Cela signifie qu'à cette période, le soleil était relativement calme et émettait un peu moins de rayonnement que pendant les phases actives qui ont reprise en 1750. Pendant cette période -> refroidissement considérable du climat (anomalie de température de -0,8°C en dessous de la valeur de référence (0°C)) -> période à laquelle la Tamise était complètement gelée. On appelle parfois cette période le petit âge de glace. Autour de l'année 1000 -> anomalie positive de température avec ce que l'on a appelé la période d'optimum médiéval. Courbe de température dans la période récente est en pleine croissance dans les anomalies positives de températures. On a donc une augmentation de température sur la période récente. Les forçages orbitaux : ce sont des paramètres orbitaux. Le premier à les avoir découvert est Milankovitch, un mathématicien qui propose en 1920 une théorie qui postulait que les variations de l'orbite terrestre devraient influencer le climat. Cet orbite de la terre autour du soleil a trois caractéristiques :  Excentricité de la trajectoire autour du soleil. Terre décrit une trajectoire elliptique autour du soleil. Ellipse a une force qui peut être un peu plus allongé à certaines périodes qu'à d'autres. Ce qui mesure cet allongement est cette excentricité. Une ellipse dont l'excentricité est de 0 serait confondue avec un cercle. Plus l'excentricité augmente et plus l'ellipse est allongée.  Inclinaison de l'axe des pôles qui a tendance à changer au cours des temps géologiques. À certaines périodes de l'histoire de la terre l'axe d'inclinaison est relativement proche de la perpendiculaire au plan de l'elliptique, c'est-à-dire au plan de l'ellipse. À d'autres moments, au contraire, l'axe est beaucoup plus incliné. Si l'inclinaison était nulle, les deux hémisphères recevraient exactement la même quantité de rayonnement en provenance du soleil et ceci quel que soit la période de l'année. Si on augmente l'inclinaison, à certaines périodes de l'année l'hémisphère sud reçoit beaucoup de rayonnement du soleil alors que l'hémisphère nord en reçoit très peu et six mois plus tard, ce sera l'inverse. Quand l'inclinaison augmente, le contraste entre les deux hémisphères, la différence va être de plus en plus marquée.  Phénomène de précession. La trajectoire de la terre autour du soleil a pour foyer le soleil mais cette trajectoire ne reste d’immuable autour du soleil, elle a tendance à tourner autour du soleil. :

'

Ces trois processus évoluent sur des périodes très longues. L'excentricité évolue sur une période de presque 100 mille ans. L'inclinaison varie sur une période de 40 000 ans. Et le

processus de précession évolue sur une période de l'ordre de 20 000 ans. Combinaison de ces trois phénomènes influe sur le climat au cours du temps -> Milankovitch prédit une alternance de périodes chaudes et de périodes froides avec une période de 100 000 ans. Il existe des méthodes de reconstruction des climats passés. Pour les carottes de glaces : glace la plus proche de la surface est la plus jeune et au fur et à mesure que l'on s'enfonce dans la glace, on va avoir de la glace de plus en plus âgée. En étudiant les caractéristiques isotopiques de l'eau de cette glace, on va pouvoir remonter à la température qui régnait sur la planète au moment où cette eau s'est déposée, c'est-à-dire le moment où la neige s'est déposée sur la glace et s'est changée par compaction en glace. On va pouvoir reconstruire l'histoire de la température de notre planète sur les 400 derniers Ma. On représente un changement de température, une anomalie de température, entre 0 (notre ère = référence) et 400 (400 milliers d'années avant notre ère). Quand on remonte dans le passer, on a une température qui chute jusqu'à -8°C en dessous de la température actuelle. Cette température est atteinte il y a 20 000 ans au dernier maximal glaciaire. On avait donc une énorme quantité d'eau sur les continents sous forme de glace. Les océans étaient beaucoup plus bas qu'aujourd'hui car l'eau présente sur les continents ne peut pas être dans les océans. Si on remonte encore dans le passé, on a des variations puis on retrouve une nouvelle période chaude il y a environ 120 000 ans. On continue d'observer cette alternance de périodes froides et chaudes en remontant dans le temps. Cette reconstruction des climats du passé a permis de montrer qu'il y a une succession dans l'histoire assez récente de la terre de périodes chaudes entre coupée de périodes froides. Périodes froides = périodes glaciaires Périodes chaudes = périodes interglaciaires. Nous sommes actuellement dans une période interglaciaire. Evolution des paramètres orbitaux explique les variations à long terme du climat. Si on se concentre sur des périodes récentes, on observe des variations du climat. Entre l'an 1 000 et l'an 2 000, on a des variations relativement modestes entre 1 000 et 1900 mais depuis 1900 on a une augmentation plus rapide de la température observée. Cette augmentation passe de -0,4 à 0,6°C. On a donc eu une augmentation d'environ 1°C. Les changements de température de surface sont totalement généralisés. Les points bleus correspondent à des endroits où la température s'est refroidit entre 1900 et 2000. Les points rouges, au contraire, sont des endroits où la température a augmenté entre 1900 et 2000. On voit donc que très majoritairement, le climat a augmenté entre 1900 et 2000 sur l'ensemble de la planète. La taille des points montre l'importance dont la température a varié. Entre 1900 et 2000 la taille des points est assez petite. Sur une période plus courte, entre 1975 et 2000, les points rouges sont beaucoup plus gros que sur la pér...