Chapitre III (Début) - Espace d`authentification univ

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S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 1
Chapitre 3
L’atmosphère :
enveloppe gazeuse de notre planète
UE libre UBO
CLIMAT :
Passé, présent, futur
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Rayonnement
ondes-courtes
Rayonnement
ondes-longues
Soleil
Nous avons vu que:
Le système climatique terrestre est
composé de plusieurs sous-systèmes
qui interagissent entre eux.
Le Soleil est la source d’énergie
primordiale pour que le système
climatique en tant que tel puisse
exister.
Le Soleil, corps très chaud, irradie
beaucoup d’énergie sous forme d’onde
électromagnétique à très courte
longueur d’onde (rayons UV, gamme
du visible).
Une fraction très petite du rayonnement
solaire est interceptée par le sommet
de l’atmosphère terrestre. Tout en
étant petite cette fraction
interceptée par notre planète est
suffisante pour maintenir un système
climatique tel que nous le connaissons.
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• Le rayonnement solaire traverse presque intacte
l’atmosphère terrestre (qui est relativement transparent au
rayonnement électromagnétique solaire) et, mis à part une
fraction qui est réfléchie par les nuages et la surface
terrestre, il est complètement absorbé et réémis par la
Terre. Ce phénomène est appelé bilan radiatif terrestre.
• La Terre est un corps plus froid que le Soleil et émet donc un rayonnement électromagnétique à
plus grande longueur d’onde que le Soleil. L’émission électromagnétique terrestre se fait
uniquement dans la gamme de l’Infrarouge (IR).
• L’atmosphère n’est pas transparente au rayonnement de type IR. Des gaz qui la composent
l’absorbent et, étant des corps relativement froids, le réémettent sous forme de rayonnement
IR tout comme la Terre. Ce phénomène fait augmenter la quantité de rayonnement reçu
globalement par la surface terrestre ; la température moyenne de notre planète à sa surface est
donc de 15°C et non -18°C; cette température, -18°C, serait celle de notre planète si elle n’était
pas entourée d’une atmosphère telle que la notre. Ce phénomène est connu sous le nom d’effet
de serre . Les gaz atmosphériques responsables de l’absorption et de la ré-émission du
rayonnement IR sont appelés gaz à effet de serre.
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Aujourd’hui nous commençons à nous intéresser aux différents
sous-systèmes climatiques pour apprendre comment ils
fonctionnent et interagissent entre eux et ainsi comprendre le
système climatique actuel dans son ensemble pour ensuite
pouvoir aborder la signification de ses changements, passé,
présent ou futurs.
Le premier sous-système que nous abordons, est
l
l’ ’atmosph atmosphè ère re , réceptacle de tous rayonnements
électromagnétiques (solaire et terrestre) et dans laquelle se
développent les phénomènes qui définissent le temps
météorologique et donc l’état climatique.

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L’atmosphère terrestre
• Composition et structure
• Transmission de l’énergie solaire au travers
de l’atmosphère
Forme et mouvements de la Terre et
distribution du rayonnement solaire à
la surface de notre planète
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L
’
atmosph
è
re terrestre
L'atmosphère joue plusieurs rôles :
elle nous fournit l'air que nous respirons
ses gaz retiennent la chaleur dont bénéficie la Terre
sa couche d'ozone protectrice nous sert d'écran
contre le rayonnement solaire nocif.
Elle sert de réservoir pour les substances naturelles ainsi
que les émissions qui découlent de l'activité humaine
Dans cet «entrepôt», il se produit des actions et
des réactions physiques et chimiques, dont la
plupart peuvent altérer nos systèmes climatiques ou
météorologiques.
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Le globe terrestre d'un diamètre moyen de 12 750 Km est
entouré d'une atmosphère d'environ 1000 Km d'épaisseur
Epaisseur Atmosphère ~ 1/10 diamètre de la Terre
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L
’
atmosph
è
re terrestre:
Très fine pellicule gazeuse qui entoure la Terre
Définition
L'atmosphère est la pellicule d'air qui entoure notre planète (d'une épaisseur de
1000 Km environ ) et qui permet la respiration biologique et le cycle de l'eau
L' atmosphère est faite d'un mélange de gaz et de particules.
Vue de l'espace, elle a l'air d'un fin halo de lumière bleue sur un horizon
courbe.

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L
’
atmosph
è
re :
un fluide
Qu'est-ce que l'atmosphère?
• L'atmosphère est la couche d'air qui entoure le globe
terrestre.
• L'atmosphère est un peu comme un océan. Alors que l'océan
recouvre une bonne partie des fonds marins, l'atmosphère pour
sa part repose sur toute la surface du globe... et nous les
humains sommes les "poissons".
• Du point de vue de la physique, l'atmosphère obéit aux mêmes
lois que l'eau puisqu'il s'agit d'un fluide. La seule différence
est que la densité de l'atmosphère est plus faible que celle
de l'eau.
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Composition de l’atmosphère
•Gaz stables ou permanents
– N
2
(78.08%) azote
– O
2
(20.95%) oxygène
– A (0.93%) argon
– Ne, Hé, CH4, H2, Xe (traces)
( Néon, Hélium, Méthane, Hydrogène, Xénon)
•Gaz instables ou variables
– H
2
O (0 à 4%) eau
– CO
2
(0.035% ?) dioxyde de carbone
– O
3
, CO, SO
2
, NO
2
, particules (traces)
( Ozone, monoxyde de carbone, dioxyde de soufre, dioxyde d’azote)
} 99,03%
} 99,03%
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A
é
rosols atmosph
é
riques
Bien qu’objets microniques, les aérosols atmosphériques
jouent un rôle clé dans le fonctionnement du système
terrestre.
Environ trois milliards de tonnes de particules sont injectées
chaque année dans l’atmosphère par des processus naturels
(érosion des sols, éruptions volcaniques, embruns océaniques...)
ou par les activités humaines (activité industrielle, circulation
automobile, feux...).
Ces aérosols résident en moyenne une semaine dans la
troposphère. Durant cette période, ils absorbent ou diffusent
une partie des rayonnements solaires et telluriques (effet
direct) ; ils interviennent dans la formation des nuages et
influencent leur durée de vie et leurs propriétés optiques
(effet indirect). Par ces deux effets, les aérosols affectent de
façon significative le bilan radiatif terrestre.
http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosclim/rechfran/4theme/pagsuiv7.
http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosclim/rechfran/4theme/pagsuiv7.htm htm
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A
é
rosols atmosph
é
riques

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Structure de l’atmosphère
• On évalue la masse de l'atmosphère terrestre à 5,13 10
18
kg, soit environ un
millionième de la masse de la Terre (6 10
24
kg).
• La masse volumique de l'air est toujours décroissante vers le haut ce qui se traduit
par une baisse également décroissante de la pression (poids de l'air par unité de
surface).
• On est donc conduit à considérer que telle fraction de la masse totale de
l'atmosphère se situe au dessous de telle altitude. Ainsi, la moitié de la masse de
l'atmosphère se situe au dessous de 5500 m, les 2/3 au dessous de 8400 m, les 3/4
au dessous de 10300 m, les 9/10 au dessous de 16100 m etc...
• A très haute altitude (500 à 1000 km), existe une zone de transition entre
l'atmosphère et l'espace, zone d'où les molécules peuvent s'échapper vers l'espace
sans que des chocs avec d'autres molécules ne les renvoient dans l'atmosphère. On a
donc fixé les limites de l'atmosphère à environ 1000 km. Si l'on considère que les
neuf dixièmes de celle-ci sont situés dans les 16 premiers kilomètres, elle ne forme
donc qu'une mince pellicule gazeuse en comparaison des 6367 km du rayon
terrestre.
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Variation de densité-élévation
• Structure de l’atmosphère
– L’atmosphère est retenue par l’attraction terrestre
– 97% de la masse atmosphérique – 29 kilomètres près
de la surface
– L’atmosphère « se termine » à ~ 10 000 Km
Masse volumique
Distribution
des molécules
Pression
Valeurs petites Valeurs grandes TERRE
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Variation de pression-élévation
Supérieure à 50%
Supérieure à 90%
Supérieure à 99%
Supérieure à 99.9%
Pression (mb)
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Plusieurs crit
è
res selon lesquels
l’atmosphè
re pourrait se diviser en couches
concentriques verticales
• réactions chimiques – chémosphère (O
3
)
• ionisation – présence ou absence d’ionisation
• composition chimique – N
2
et O
2
, Hé, H
2
• variation de la température selon l’élévation

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Crit
è
res de classification
Réactions
chimiques Ionisation Composition Température
Altitude
Milles km
1000
500
400
300
200
10
5
1
20
30
50
100
600
100
300
10
1
Ch
Ché émosph mosphè ère re
Ionosph
Ionosphè ère re
Homosph
Homosphè ère re
H
Hé éterosph terosphè ère re
M
Mé ésosph sosphè ère re
Stratosph
Stratosphè ère re
Troposph
Troposphè ère re
Th
Thé érmosph rmosphè ère re
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Structure de l
’
atmosph
è
re
-
chimie
Couche
Couche
d
d’ ’Hydrog Hydrogè ène ne
Couche
Couche
d
d’ ’H Hé élium lium
Couche
Couche
d
d’ ’Oxyg Oxygè ène ne
Couche
Couche
d
d’ ’Azote Azote
Couche
Couche
d
d’ ’Oxyg Oxygè ène et ne et
Azote
Azote
Terre
Terre
3540 km
3540 km
1125 km
1125 km
200
200
60
60
52
52
11
11
Stratosph
Stratosphè
ère
re
M
Mé
ésosph
sosphè
ère
re
Troposph
Troposphè
ère
re
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Structure atmosph
è
re : temp
é
rature
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Sommet de chacune de ces couches identifié par un
changement dans la variation de la température
– couches de transition –
• Sommet de la troposphère -
tropopause
• Sommet de la stratosphère -
stratopause
• Sommet de la mésosphère -
mésopause
• Pas de limite de la thermosphère –
pas de thermopause