les mouvements atmosphériques - Académie de Nancy-Metz

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LES MOUVEMENTS ATMOSPHÉRIQUES
ET LES PHÉNOMÈNES DE DISPERSION DES POLLUANTS
EN RELATION AVEC CES MOUVEMENTS
Conférence de Monsieur Hervé Le Treut,
directeur de recherche au Laboratoire de Météorologie Dynamique (Unité mixte de recherche :
CNRS, École Normale Supérieure, École polytechnique, Université Paris VI)
Texte de la conférence présentée le 10 mai 2000, au CRDP de Nancy, mis en forme par Albert Fourny et
Marianne Wojcik
Les planches couleur auxquelles il est fait référence dans le texte sont visibles sur le site SVT-Lorraine
http://www.ac-nancy-metz.fr/enseign/svt/ressourc/mediathe/Iconothe/conferenc2.htm
Plan de l'exposé
Introduction
I - Énergie du « système terre »
1. Description du système
2. Quel chemin suit l’énergie solaire ?
3. Émissions terrestres
4. Rôle complexe des nuages
5. Distribution de certains absorbants sur la planète
5a) L’ozone
5b) La vapeur d’eau
II - Les mouvements de l’atmosphère
1. Bilan net de l’énergie sur la planète en fonction de la latitude
2. Redistribution verticale de l’énergie
3. Les échelles de circulation atmosphérique
4. Comment ces systèmes se mettent-ils en place au niveau de la planète ?
4a) Aux basses latitudes : circulation de l’air dans des cellules
• Comment expliquer ces mouvements ?
• Pourquoi ces cellules s’arrêtent à 30° de latitude Nord ou Sud ?
• Les vents zonaux
• La mousson
4b) Circulation aux moyennes latitudes : rôle clé de la force de Coriolis
4c) Le phénomène El niño
III - Perturbations des circulations atmosphériques par l’activité humaine
1. Modification de la composition chimique de l’atmosphère
1a) Croissance des gaz à effet de serre
1b) Autres facteurs de perturbation du climat
2. Modélisation des effets sur le climat d’un doublement du taux de CO2.
Conclusion

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L'atmosphère dans le système climatique est un système extrêmement rapide, violent, qui a
tendance à mélanger très vite à la surface du globe de grandes quantités de composés chimiques.
Ce système est responsable du caractère global de notre environnement.
L'atmosphère est donc une sorte d'agent qui va tout redistribuer à la surface du globe...
L'océan est un système tout à fait opposé, très lent, qui sert de mémoire au système climatique.
Nous allons ici présenter dans un premier temps l’énergie à l’origine des mouvements
atmosphériques, dans un second temps, nous étudierons les différents mouvements affectant le
système atmosphérique de la planète et nous terminerons en évoquant quelques perturbations du
climat imputables à l’Homme, et leurs probables conséquences à plus ou moins long terme.
I - ÉNERGIE DU « SYSTÈME TERRE »
1. Description du système
Ce qui met en route le système climatique c’est l'énergie reçue du soleil.
figure 1 : Longueurs d’ondes d’émission du soleil et de la Terre (figure tirée du livre « océans et
atmosphère »)
Soleil Terre
Répartition spectrale du rayonnement émis par un corps à 300 K (Terre) et à 6000 K
(Soleil). Cette répartition est normalisée pour tenir compte de l'égalité, dans un
système en équilibre, entre la rayonnement solaire absorbé et le rayonnement
terrestre émis. Les différentes bandes d'absorption soulignent la plus grande
transparence de l'atmosphère au rayonnement solaire qu'au rayonnement terrestre.
Cette dissymétrie explique "l'effet de serre", principalement dû au dioxyde de
carbone et à la vapeur d'eau, ce qui maintient la surface terrestre à une température
relativement élevée. D'autres bandes d'absorption, non figurées, modifient également
le rayonnement solaire (oxygène) ou le rayonnement terrestre (méthane, oxyde
nitreux)

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Sur la figure 1 on voit l'émission d'un corps chauffé à 6 000°K (Soleil), entre 0,2 et 2
micromètres, c'est -à-dire dans les ultra-violets jusqu'au proche infra-rouge, et l'émission d'un
corps à 300°K (Terre) pour une quantité d'énergie équivalente entre 3 et 50 micromètres (infra-
rouge).
On visualise un phénomène remarquable, qui conditionne la suite : les domaines électromagnétiques
dans lesquels émettent le Soleil et la Terre sont pratiquement disjoints, donc, même s'il s'agit
d'énergie électromagnétique, on distingue une énergie solaire et une énergie terrestre.
Sur le document les surfaces grisées correspondent à des surfaces d'absorbants : absorbants
polyatomiques, vapeur d'eau, dioxyde de carbone, ozone... On observe qu'ils sont beaucoup plus
présents dans la partie infrarouge donc dans la partie terrestre, que dans la partie solaire. Cette
dissymétrie est en partie responsable de l'effet de serre.
2. Quel chemin suit l'énergie solaire ?
Partons de l'énergie solaire émise et reçue au sommet de l'atmosphère et regardons comment elle
se transforme :
figure 2 (figure tirée du livre « océans et atmosphère »)
Sur le diagramme tout est dimensionné par rapport à la valeur 100 qui correspond au rayonnement
solaire incident au sommet de l'atmosphère, soit environ 360 W/m2.
Ce rayonnement est absorbé dans l'atmosphère, absorbé au sol, ou réfléchi vers l'espace.
- L'énergie absorbée directement par l'atmosphère et correspondant au chauffage direct de
l'atmosphère par l'énergie solaire se situe sur la partie gauche du diagramme et correspond à

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environ 20 % de l'énergie solaire incidente au sommet de l'atmosphère. Ce chauffage direct de
l'atmosphère par les rayons solaires n'est pas la première source de chaleur dans le système
atmosphérique. Nous verrons que le chauffage de l'atmosphère est essentiellement un
chauffage indirect.
- 50% de l'énergie solaire est absorbée au sol (l'atmosphère est essentiellement transparente
pour le rayonnement solaire).
- Une certaine partie du rayonnement est perdue pour le système climatique, elle est réfléchie
directement vers l'espace selon trois processus essentiels :
!" Un processus de réflexion par l'air c’est la diffusion moléculaire, responsable du bleu du
ciel. On estime ce phénomène à 6 % du rayonnement solaire incident, cela constitue la
seule contribution des gaz principaux (N2, O2, H2O) à l'énergétique de la planète.
!" 20 % de l'énergie solaire reçue est réfléchie par les nuages.
!" La réflexion par les surfaces : 4% de l'énergie incidente est réfléchie par les surfaces.
Ces surfaces sont très différenciées, on trouve d'énormes oppositions entre des zones
désertiques (albédo 30 %), des forêts ou l'albédo est égal à 10 % ou des océans dont les
surfaces réfléchissent à 80 % .
3. Émissions terrestres
Sur la partie droite de la figure 2, on voit la manière dont ce chauffage est équilibré par les
émissions terrestres.
- La principale composante est l'émission de rayons infra-rouges vers l'espace.
Seule une toute petite partie de cette émission se fait directement vers l'espace (6 % sur le
diagramme).
La plus grande partie du rayonnement infrarouge est en fait absorbée dans l'atmosphère par des
gaz à effet de serre (= molécules suffisamment compliquées pour être excitées et ayant au moins
trois atomes, H2O, CO2, CH4 ou plus...). Ces molécules absorbent le rayonnement issu de la Terre
et le ré-émettent en deux parties une partie vers le sol, une partie vers l'espace, plus petite, que
celle que l’on obtiendrait par une émission directe du sol.
C'est ce que l'on appelle « L'EFFET DE SERRE ».
Il est important de voir que ce ne sont pas les seuls termes d'échanges entre la surface terrestre
et l'atmosphère.
- Deux autres termes existent :
• Le flux de chaleur sensible qui est un flux de conduction thermique entre le sol et
l'atmosphère. L'air se réchauffe près du sol et monte dans l'atmosphère.
• Le flux de chaleur latente qui correspond à un processus plus compliqué de refroidissement
au niveau des océans ou de la végétation continentale par évaporation de l'eau : cette
chaleur est regagnée par l'atmosphère lors de la condensation de l'eau dans les nuages. Ce
terme (23 %) est en fait le premier terme de chauffage direct de l'atmosphère.
L'atmosphère est donc chauffée en priorité par condensation de l'eau dans les nuages.

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4. Le rôle complexe des nuages
Forçage radiatif net des nuages en été (
cf. document 8, planche couleur
).
Sur ce document on voit la façon dont les nuages modifient le bilan radiatif de la Terre. Ce terme a
une importance considérable et une ambiguïté aussi.
En rouge sur le document on voit les zones où les nuages contribuent à réchauffer la planète (en
été), et en vert ce sont les zones où les nuages contribuent à refroidir la planète (toujours en été
bien sûr ; l'ordre de grandeur des chiffres va de quelques watts par mètre carré à plusieurs
dizaines de watts par mètre carré).
Les nuages modulent fortement cette énergie en la diminuant ou en l'augmentant. Il y a opposition
entre ces deux effets des nuages qui se compensent en permanence et auquel il faut ajouter ce
rôle de chauffage par dégagement de chaleur latente qui font que les nuages sont le point
d'équilibre du système énergétique de la planète.
Les nuages sont le premier agent régulateur de la planète.
5. La distribution de certains absorbants sur la planète
Certains gaz à effet de serre, qui ont une durée de vie très longue, de plusieurs années, sont
parfaitement mélangés par le transport atmosphérique. C’est le cas du dioxyde de carbone, du
méthane, par exemple, dont la composition mesurée dont les glaces du Pôle Sud est représentative
de la valeur sur la planète. Les gaz qui ont une durée de vie plus courte ont une distribution plus
complexe.
5a) Le premier absorbant à distribution verticale particulière est la vapeur d'eau
On constate que la quantité de vapeur d'eau décroît rapidement avec l'altitude ; ceci est dû au fait
que le niveau de saturation de vapeur d'eau dans l'atmosphère dépend de la température et que la
température décroît avec l'altitude. On a ainsi une décroissance importante de la quantité de
vapeur d'eau dans l'atmosphère avec l'altitude et aussi avec la latitude
Le haut de l'atmosphère est un véritable désert du point de vue de la vapeur d'eau !
Une conséquence est que tous les mouvements ascendants se caractérisent par une condensation
puis ensuite par une précipitation de vapeur d'eau. Toute masse d'air qui s'élève dans l'atmosphère
se heurte à des niveaux de saturation très faibles et doit perdre son eau. Cette eau
nécessairement se condense puis précipite.
figure 3 : Profil de l’ozone dans l’atmosphère