Chapitre I

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CLIMAT :
Passé, présent, futur
Chapitre 1
Quelques définitions et
concepts fondamentaux
L’énergie
De tout temps, l’homme a eu besoin de l’énergie pour
se nourrir, se mouvoir. Celle-ci existe sous plusieurs
formes. Aujourd’hui, la technologie permet d’en
produire en grande quantité, en utilisant toutes les
ressources possibles (fossiles, eau, vent, soleil…).
À l’aube du XXIe siècle, l’énergie reste un enjeu
majeur, tant au niveau politique, économique,
scientifique qu’environnemental…
Parmi les diverses propriétés des objets matériels,
l’énergie est l’une des plus importantes, mais aussi
l’une des plus abstraites car elle n’est pas
directement tangible.
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L’énergie
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L’énergie
L'énergie est un concept créé par l’homme pour quantifier les
interactions entre des phénomènes très différents ; c'est un
peu une monnaie d'échange commune entre les phénomènes
physiques.
Ces échanges sont contrôlés par les lois et principes de la
thermodynamique:
Un moteur à explosion fonctionne grâce à une réaction
chimique : la combustion (ou « explosion ») qui a lieu à
l'intérieur d'un cylindre. La réaction du combustible
(l'essence) avec le comburant (l'oxygène de l'air) produit du
gaz avec émission de chaleur et de lumière, ce qui se traduit
par une augmentation de la température et de la pression
dans le cylindre ; la différence de pression entre ce gaz et
l'atmosphère de l'autre côté du piston déplace ce dernier,
qui va, à travers une transmission mécanique, faire tourner
les roues ainsi qu'un alternateur qui va produire de
l'électricité. Au passage, il y aura des frottements
mécaniques qui produiront un échauffement et une usure.
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L’énergie
Dans le sens commun l'énergie désigne
tout ce qui permet d'effectuer un
travail, fabriquer de la chaleur, de la
lumière, de produire un mouvement.
L'énergie est une quantité qui se
conserve: L'énergie dans un système est
donc d'office conservée, par principe, et
si elle diminue, c'est qu'une partie en est
sortie... ou qu'elle s'est transformée en
quelque chose qu'il nous faut identifier :
chaleur, mouvement, rayonnement, etc. ..
Unités de mesure de l’énergie
L’énergie est mesurée en unités du travail :
• Joule:
Joule 1 J = travail effectué par une force de 1 N pour
déplacer un corps sur une distance de 1 m (W=F.l)
ou travail effectué pour arrêter une masse de 2 kg qui se
déplace à une vitesse de 1 m s—1 ( Ec=1/2mv2)
ou travail fourni pour soulever une pomme d’une masse de
102g d’une hauteur de 1m (Ep=mgz avec =g=9,81m/s2).
• Calorie:
Calorie 1 Cal = quantité de chaleur nécessaire pour
augmenter la température de 1 g d’eau pure de 1 K, pour des
conditions expérimentales choisies : niveau de la mer
(pression 1 atm) et température normale (15°C).
1 Cal = 4,185 J
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Formes d’énergie
La chaleur
Energie thermique ou chaleur :forme d’énergie au même titre que le travail d’un
La chaleur : flux d’énergie thermique entre des corps ou systèmes différents.
La chaleur s’é
coule des corps les plus chauds vers les corps les plus froids
s’écoule
système de forces au cours d’un déplacement. Il s’agit forcément d’un échange d’énergie
entre plusieurs corps au cours d’un laps de temps déterminé. Cette forme d’énergie est
associée à la température (qui mesure l’agitation désordonnée des molécules et des
atomes) et à la phase (solide, liquide, vapeur) d’une substance.
à travers les processus de conduction, convection et/ou rayonnement.
Energie des ondes électromagné
lectromagnétiques : transportée par les photons (lumière, ondes
radio, rayons X et γ...) ou par des particules chargées (énergie électrique). Quand cette
forme d’énergie atteint un corps ou une substance, la totalité ou une partie est
convertie en énergie thermique.
Energies nuclé
nucléaire/atomique/molé
aire/atomique/moléculaire : Au niveau microscopique, l'énergie nucléaire
est l'énergie associée à la force de cohésion des nucléons au sein du noyau des atomes.
Les transformations du noyau libérant cette énergie sont appelées réactions nucléaires.
Au niveau macroscopique, l'énergie nucléaire correspond, d'une part à l'énergie libérée
par les réactions de fusion nucléaire au sein des étoiles, d'autre part aux usages civils
et militaires de l'énergie libérée lors des réactions de fission ou de fusion du noyau
atomique.
.
conduction
Convection
Rayonnement
Énergie ciné
cinétique : l’énergie que possède un corps du fait de son mouvement.
Énergie gravitationnelle : énergie associée à la capacité de produire du travail par une
variation de la position d’un corps par rapport au champ de gravitation (i.e., changement
d’altitude ou de hauteur).
Energie chimique : énergie liée à la capacité de produire du travail par des interactions
chimiques (en formant ou rompant des liens chimiques).
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La température
La physique statistique montre que la température est la manifestation,
à l'échelle macroscopique, du mouvement des atomes et molécules. Elle
est directement liée à l'énergie cinétique moyenne des constituants
microscopiques de la matière.
Deux corps en contact ont tendance à égaliser leurs températures, par
échange de chaleur (équilibre thermique). Les thermomètres
fournissent une mesure de la température en utilisant des phénomènes
comme la variation de la pression des gaz, ou la dilatation thermique de
corps (thermomètre à mercure).
Pourquoi parler d’énergie
et de chaleur ?
Parce que l’équilibre de
notre climat dépend
essentiellement du bilan
d’énergie entre le Soleil
(notre source primordiale
d’énergie) et le système
climatique terrestre.
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Tous les sous-systèmes climatiques ont
une source d’énergie qui alimente leur
fonctionnement ou l’interaction entre les
uns et les autres. Cette énergie provient
soit de l’énergie
’énergie gravitationnelle (moteur
des marées par exemple) soit de
l’énergie
’énergie solaire.
solaire
L’énergie solaire, sous forme d’ondes électromagnétiques
(rayons ultraviolets, visibles et infrarouges) traverse une
distance d’environ 150 millions de kilomètres pour
réchauffer la surface de notre planète et alimenter les
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l’énergie gravitationnelle
En 1687 Newton émet une hypothèse géniale mais très risquée: la Lune
tombe sur la Terre comme une pomme ou n'importe quel objet, mais la
vitesse initiale de la Lune (perpendiculaire à la direction Terre Lune)
fait que la trajectoire finale de la Lune est une courbe fermée autour de
la Terre. Il a ainsi montré que deux effets apparemment très différents
(la pesanteur et le mouvement des corps célestes) sont en fait le
résultat d'une seule et même cause: la gravitation universelle, dont il
énonce la loi (proportionnelle au produit des masses et inversement
proportionnelle au carré de la distance).
La loi de la gravitation universelle de Newton est toujours utilisée pour
calculer les effets de la gravitation dans des situations normales.
le champ gravitationnel créé par une masse M (en kg) située à une
distance d (en m) est donné par :
sous-systèmes climatiques fluides (air, eau, glace) et la
g=6,67.10-11 M/d2
majeure partie de la biosphère.
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l’énergie gravitationnelle
La force d'attraction subie par une masse m (en kg) est alors:
F=mg
Notre poids sur terre P=mg0 =mx9,81 N
Néanmoins, la loi de Newton n'est qu'une approximation d'une
théorie plus fondamentale. En effet, au début du siècle, certains
désaccords très faibles furent découverts entre des
observations astronomiques et les prédictions de cette loi.
De plus, cette loi suppose une interaction à distance instantanée,
en désaccord total avec les lois de la relativité restreinte,
énoncées en 1905 par Albert Einstein.
l’énergie gravitationnelle
La manifestation la plus courante de la gravité est bien sûr la pesanteur,
c'est à dire l'attraction entre la Terre et les objets qui sont à proximité.
A partir de la formule de Newton, on peut calculer le champ gravitationnel
à la surface de la Terre, c'est à dire à une distance de 6400 km d'un
objet de 6.1024 kg. Le résultat est g=9,8 m.s-2, valeur bien connue qui
permet de calculer le poids d'un objet à la surface de la Terre.
La pesanteur est un phénomène extrêmement important pour la vie
courante:
Si la Terre n'attirait pas les corps matériels à elle, l'atmosphère se
serait depuis longtemps dissipée dans le vide interplanétaire. Et sans
atmosphère, la vie ne serait pas apparue sur Terre... La Lune, beaucoup
plus légère que la Terre ne produit pas un champ gravitationnel suffisant
pour retenir les gaz, c'est pourquoi elle n'a pas d'atmosphère.
C'est aussi par contraction gravitationnelle que les étoiles se
contractent suffisamment pour allumer en leur coeur des réactions
nucléaires et donc de rayonner de l'énergie. C'est donc en partie grâce à
la gravitation que le Soleil brille.
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l’énergie gravitationnelle
Une autre manifestation courante de la gravitation est évidemment le mouvement des étoiles
et des planètes, et notamment le mouvement du système Terre Lune. La gravitation est
responsable de ce mouvement mais aussi d'une conséquence très courante de cette liaison : les
marées. La Terre n’est pas un référentiel d’inertie: il faut considérer que la Terre et la Lune
tournent ensemble autour d'un point central, qui est le centre de masse du système Terre
Lune (comme une haltère):
La Lune attire plus l'eau des océans du côté exposé à la Lune (force inversement
proportionnelle à la distance). Mais comme la Terre tourne autour du centre de gravité Terre
Lune, la force centrifuge rejette l'eau des océans à l'opposé du côté exposé à la Lune. Ce sont
ces deux phénomènes (attraction gravitationnelle de la Lune et force centrifuge) qui sont
responsables des marées.
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La Pression
En physique, on définit la pression, notée p, comme le quotient d'une
force (F) sur l'aire de la surface (S) sur laquelle elle s'applique :
p=F/S
Dans le système métrique international, l'unité de mesure de la pression
est le pascal (Pa) : une pression de 1 pascal correspond à une force de
1 newton exercée sur une surface de 1 m2.
L'appareil de mesure de la pression est le manomètre. Pour la pression
atmosphérique, on utilise le baromètre.
La pression atmosphérique correspond au poids de la colonne d’air située
au dessus de notre tête par unité de surface soit en moyenne
Patm=105Pa = 1bar=1000hPa.
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Concept d’interaction
Les flux de matière et d’énergie
entre les sous-systèmes climatiques
sont continus.
La vie a très probablement trouvé son origine dans les sous systèmes
climatiques fluides (air et eau). La vie puise des éléments chimiques de ces
fluides et de la lithosphère (terre solide).
Les frontières entre sous-systèmes peuvent être assez floues : par
exemple le sommet de l’atmosphère, qui se situe à une centaine de
kilomètres de la surface terrestre, fusionne imperceptiblement avec
l’espace interplanétaire. L’eau, l’air et, au niveau des régions polaires, la
glace, s’étendent de quelques kilomètres au dessus de la surface terrestre.
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Le système climatique
pris dans son ensemble
Les disciplines classiques comme la biologie, la météorologie,
l’océanographie et la géologie, s’intéressent spécifiquement à
l’étude des sous-systèmes climatiques, si bien que souvent les
scientifiques ont divisé dans le passé, de manière un peu arbitraire,
le système terrestre en compartiments correspondant à chaque
discipline. Cette séparation d’un système complexe en soussystèmes comporte le danger d’obscurcir certaines propriétés du
système global.
Dans ce cours nous chercherons à discuter le plus possible du
système climatique considéré dans sa globalité, et nous ferons
intervenir (de manière assez descriptive) des concepts des diverses
disciplines (physique, biologie et géologie) de manière à comprendre
les processus qui régissent le climat de notre planète ainsi que son
histoire.
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