Chapitre III (Début) - Espace d`authentification univ

UE libre UBO
CLIMAT :
Passé, présent, futur
Chapitre 3
L’atmosphère :
enveloppe gazeuse de notre planète
Nous avons vu que:
Le système climatique terrestre est
composé de plusieurs sous-systèmes
qui interagissent entre eux.
Soleil
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.
S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 1
•
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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Rayonnement
ondes-longues
Rayonnement
ondes-courtes
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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’atmosphè
atmosphère, 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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1
L’atmosphère terrestre
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'atmosphère joue plusieurs rôles :
Dans cet «entrepôt», il se produit des actions et
elle nous fournit l'air que nous respirons
des réactions physiques et chimiques, dont la
plupart
altérer
nos systèmes
climatiques
ou
ses gaz peuvent
retiennent
la chaleur
dont bénéficie
la Terre
météorologiques.
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
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L’atmosphère terrestre:
Très fine pellicule gazeuse qui entoure la Terre
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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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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2
L’atmosphère : un fluide
Composition de l’atmosphère
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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Aérosols atmosphériques
• Gaz stables ou permanents
–
–
–
–
N2 (78.08%) azote
} 99,03%
O2 (20.95%) oxygène
A (0.93%)
argon
Ne, Hé, CH4, H2, Xe (traces)
( Néon, Hélium, Méthane, Hydrogène, Xénon)
• Gaz instables ou variables
– H2O (0 à 4%)
eau
– CO2 (0.035% ?)
dioxyde de carbone
– O3, CO, SO2, NO2, particules (traces)
(Ozone, monoxyde de carbone, dioxyde de soufre, dioxyde d’azote)
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Aérosols atmosphériques
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.htm
http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosclim/rechfran/4theme/pagsuiv7.htm
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3
Structure de l’atmosphère
Variation de densité-élévation
• On évalue la masse de l'atmosphère terrestre à 5,13 1018 kg, soit environ un
millionième de la masse de la Terre (6 1024kg).
• 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...
Distribution
des molécules
Masse volumique
Pression
Valeurs petites
• 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 pression-élévation
Supérieure à 99.9%
Valeurs grandes
TERRE
• 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
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Plusieurs critères selon lesquels
l’atmosphère pourrait se diviser en couches
concentriques verticales
• réactions chimiques – chémosphère (O3)
• ionisation – présence ou absence d’ionisation
• composition chimique – N2 et O2, Hé, H2
• variation de la température selon l’élévation
Supérieure à 99%
Supérieure à 90%
Supérieure à 50%
Pression (mb)
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Critères de classification
Réactions
chimiques
Altitude
Milles
km
Ionisation
Composition
Température
Structure de l’atmosphère-chimie
Couche
d’Hydrogè
Hydrogène
3540 km
600
Couche
d’Hélium
1000
Héterosphè
terosphère
300
Couche
d’Oxygè
Oxygène
400
300
100
1125 km
Thé
Thérmosphè
rmosphère
500
200
Couche
d’Azote
Ionosphè
Ionosphère
60
100
50
10
1
30
20
10
5
1
200
Mésosphè
sosphère
Ché
Chémosphè
mosphère
Stratosphè
Stratosphère
Homosphè
Homosphère
Couche
d’Oxygè
Oxygène et
Azote
Terre
Mé
s
sos
52
p hè
Str
re
ato
11
sph
Tro
è re
pos
phè
re
Troposphè
Troposphère
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Structure atmosphère : température
S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 18
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
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5
Structure atmosphère : température
Dans la partie la
plus basse de
l’atmosphère, dans
la
troposphère,
la température la
plus haute est près
du sol et elle
décroît avec
l’altitude
Troposphère
• Vient du Grec "tropos " changement et
de "sphaira" sphère
• La troposphère est la couche inférieure
de l'atmosphère qui est comprise entre le
sol et la stratosphère, couche supérieure.
• Son épaisseur varie selon les latitudes:
Elle est plus épaisse au niveau de
l'équateur.
• C'est la zone ou l'on observe le plus de
manifestations météorologiques.
• La troposphère contient la quasi
totalité de la vapeur d'eau et les 9/10
de la masse d'air.
• La température décroît de 6°C en
moyenne par Km d'altitude.
• Elle est traversée par de violents
courants verticaux et horizontaux dus
aux différences de température.
• La limite supérieure de la troposphère
est appelée la tropopause.
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Troposphère – diminution généralisée
de la température avec l’altitude
S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 22
Troposphère – diminution généralisée de
la température avec l’altitude
• Elle contient >75% de la masse gazeuse de
l’atmosphère
• Réchauffement initié à la surface de la terre
• Altitude moyenne de 11 Km – variation spatiale
selon la température
Les caractéristiques physico-chimiques de cette
enveloppe sont connues grâce à l'utilisation de sondes
attachées à un ballon. Ces sondes transmettent des
informations radio sur les changements verticaux de
pression, de température, d'humidité et de
caractéristique des vents. L'épaisseur de cette
enveloppe atmosphérique va de 8 Km dans les hautes
latitudes à 18 Km au dessus de l'équateur. Son
épaisseur varie également en fonction des saisons
(maximale en été, minimale en hiver).
– 8 Km près des pôles
– 18 Km, près de l’équateur
– Plus élevée en été qu’en hiver
• Éléments du temps – présence de H2O et
courants verticaux
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Stratosphère et ozone
Stratosphère
• C'est la seconde strate de
l'atmosphère, entre 11 et 45 Km
d'altitude.
• La caractéristique principale de
cette couche est qu'au fur et à
mesure qu'on s'élève, la
température reste presque
constante avant d’augmenter
après 25 Km d'altitude pour
atteindre les environs du point de
congélation.
• Les mouvements de l'air y sont
bien moindres. Il s'agit d'un
environnement beaucoup plus
calme.
L'ozone atteint ici une concentration moyenne
de 10 ppmv (0,04 ppmv dans la troposphère).
Cette molécule absorbe le rayonnement solaire
UV de 290 à 320 nm (longueurs d'onde néfastes
pour la structure des acides nucléiques
cellulaires).
Il y a ainsi réchauffement de la stratosphère.
La production et la destruction de l'ozone se
produit essentiellement dans les hautes altitudes
de la stratosphère tropicale, là où le
rayonnement UV est intense.
Cependant la dissociation de la molécule se
produit dans la basse stratosphère, à des
latitudes plus hautes que celles où est produit
l'ozone.
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Mésosphère
Dans cette couche atmosphérique nous assistons à une
baisse des températures.
Cette baisse de température va
se poursuivre jusqu'aux limites
de la mésosphère, soit environ
80 Km d'altitude.
À sa limite supérieure
(mésopause) – les températures
plus froides (– 90o C)
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Thermosphère
Enfin, la thermosphère marque le début
d'un accroissement de la température qui
se poursuivra jusqu'au début de l'espace.
La pression y devient presque nulle et les
molécules d'air sont très rares.
La mésopause la sépare de la précédente.
La température augmente ici avec
l'altitude et atteint jusqu'à 10001500°K.
Ces températures s'expliquent par
l'absorption de l'intense rayonnement
solaire (courtes longueurs d'onde) par les
molécules d'oxygène et d'azote
résiduelles. A 100-200 Km ce sont les
composants chimiques majeurs de
l'atmosphère.
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Thermosphère – hausse généralisée de la
température selon l’élévation
Aurores boréales (australes)
Densités extrêmement basses
dominance de O et de N
Processus d’ionisation: conversion des
particules neutres en particules
chargées (télécommunications)
Rayons x, γ, UV, vent solaire O→O+ +ePhénomènes d’aurore boréale et aurore
australe
Provoquées par l'interaction entre les
particules chargées du vent solaire et
la haute atmosphère, les aurores se
produisent principalement dans les
régions proches des pôles
magnétiques.
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S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 30
Exosphère
L'exosphère est une
zone de transition
entre l'atmosphère
terrestre et l'espace
interplanétaire.
Ces photos (prises par la navette spatiale) permettent de repérer
les limites de la troposphère, de la stratosphère, de la mésosphère.
La frontière
supérieure,
relativement floue,
pourrait s'étendre
jusqu'à 10000 Km.
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