Cours - Laboratoire de Météorologie Dynamique

LP211
Introduction aux sciences de l’atmosphère
Cours niveau licence. Année universitaire 2013-2014.
Aymeric SPIGA
Maître de conférences à l’Université Pierre et Marie Curie
Chercheur au Laboratoire de Météorologie Dynamique (Institut Pierre-Simon Laplace)
Contact: [email protected]
Copie et usage interdits sans autorisation explicite de l’auteur.

Les chapitres 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8 consistent en de multiples réorganisations,
ajouts et modifications sur des notes existantes de Francis Codron et
Sébastien Payan que je souhaite remercier pour leur aide. Les chapitres 7
et 9 sont entièrement originaux. Je remercie Jean-Baptiste Madeleine et
Guillaume Angot pour leurs remarques constructives.
Dans l’éventualité où le lecteur trouverait des erreurs ou imprécisions dans
ce cours, il est cordialement invité à les signaler à l’auteur à l’adresse
[email protected]

Sommaire
1 Un survol de l’atmosphère 1
1.1 Quelques définitions et généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Vocabulaire......................................... 1
1.1.2 Grandeursutiles ...................................... 1
1.1.3 Structure verticale : couches atmosphériques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Compositionatmosphérique.................................... 5
1.2.1 Un mélange de gaz parfaits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.2 Compositionmoléculaire.................................. 6
1.2.3 Aérosols et hydrométéores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 Echanges énergétiques dans l’atmosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3.1 Énergieradiative...................................... 10
1.3.2 Énergiemécanique..................................... 11
1.3.3 Énergielatente ....................................... 11
1.3.4 Contribution de la chimie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2 Rayonnement électromagnétique et émission thermique 13
2.1 Description générale du rayonnement électromagnétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.1 Spectre électromagnétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.2 Mesures quantitatives : grandeurs caractéristiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2 Emissionderayonnement ..................................... 17
2.2.1 Corpsnoir.......................................... 17
2.2.2 Loisducorpsnoir ..................................... 19
2.2.3 Lois des corps gris et émissivité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3 EnergiereçueduSoleil....................................... 20
2.3.1 Caractéristiques et domaine de longueurs d’onde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3.2 Constantesolaire...................................... 22
3 Transfert radiatif 23
3.1 Réflexion, absorption, transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.1.1 Coefficients d’interaction et lois de Kirchhoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.1.2 Vocabulaire et mise en garde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.1.3 Albédo ........................................... 24
3.1.4 Remarque sur l’émissivité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2 Bases pour aborder l’interaction entre le rayonnement électromagnétique et l’atmosphère . . 26
3.2.1 Généralités ......................................... 26
3.2.2 Sectionefficace....................................... 26
3.3 Diffusion............................................... 27
3.4 Absorption ............................................. 30
3.4.1 Aspect macroscopique : loi de Beer-Lambert-Bouguer . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.4.2 Aspect microscopique : absorption par les gaz et liaisons moléculaires . . . . . . . . 31
3.5 Une rapide synthèse : spectre solaire à la surface de la Terre . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4 Bilan radiatif et effet de serre 35
4.1 Equilibreradiatifsimple...................................... 35
4.1.1 Fluxreçuetfluxémis ................................... 35
4.1.2 Equilibre et température équivalente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.2 Modèles“àcouches” ........................................ 36
4.2.1 Modèle à une couche et effet de serre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.2.2 Modèlegris......................................... 39
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