Chap1 : structure thermique de l`atmosphère

Chap1 : structure thermique de
l'atmosphère
●
I - Température de surface des planètes du système solaire
●
II - Profil vertical moyen de l'atmosphère terrestre
●
III - Equilibre radiatif de la Terre
●
généralités
●
apport d'énergie du soleil (TD)
●
bilan radiatif de la Terre et effet de serre
●
impacte des nuages sur la température (TD)
●
●
T à la surface du soleil = 6000 K => Soleil émet
essentiellement de la lumière visible.
T à la surface de la Terre = 300 K => Terre
émet dans les IR
Comportement possible de l'atmosphère
●
En fonction des longueurs d'onde (couleur) de
lumière l'atmsophère peut :
●
Etre transparente
●
Absorber le rayonnement => T augmente
●
Réfléchir les rayonnement => T baisse
Principaux facteurs qui vont controler la
température
●
Apport d'énergie du soleil
●
L'albédo de l'atmosphère/sol
●
% d'énergie abosrbé par l'atmosphère
●
●
●
L'albédo = énergie solaire réfléchie /énergie solaire
incidente
Albédo = 1 pour une surface réfléchissant 100 % de
l'énergie (glace,....)
Albédo = 0 pour un corps noir qui abosrbe 100 % de
l'énergie
GES
Les gaz à effet de serre (GES)
H2O 55% des GES
qq j (troposphère)
CO2 39% des GES
50-200 ans
N2O 2% des GES
150 ans
CH4 2% des GES
10 ans
Chap1 : structure thermique de
l'atmosphère
●
I - Température de surface des planètes du système solaire
●
II - Profil vertical moyen de l'atmosphère terrestre
●
III - Equilibre radiatif de la Terre
●
généralités
●
apport d'énergie du soleil (TD)
●
bilan radiatif de la Terre et effet de serre
●
impacte des nuages sur la température (TD)
Apport d'énergie du soleil
●
Vu lors du TD1 : le soleil apporte en moyenne 340 W.m-2
au sommet de l'atmosphère
TD2
Quelle est l'énergie solaire totale
reçue par la Terre ?
●
●
6
Un réacteur nucléaire délivre ~ 1800 10 W
La totalité de l'énergie solaire = Puissance
fournié par 45 millions de réacteur nucléaires.
Consommation d'électricité en France
●
Par habitant 7488 kWh = 2.08 103 W
●
Total : 488 Twh = 0.13 1012 W
Combien de réacteurs nucléaires faudrait-il ?
Quelle surface de panneaux solaire avec un rendement de
10% sans tenir compte de l'albédo
Quelle surface de panneaux solaire avec un rendement de
10% avec un albédo de 0.3
●
Surface des alpes maritimes = 4200 km2
Consommation mondiale d'électricité
●
Total 18453 Twh = 5.1 TW
●
Par habitant = ~850 W (4x moins qu'en France)
Consommation d'électricité par habitant
en kW/h (selon la banque mondiale)
Norvege
23550
Canada
15467
Suède
14142
Quatar
14000
USA
12900
Corée
8900
Japon
7800
France
7400
Arabie Saoudite
7400
Argentine
2759
Chine
2631
Roumanie
2200
Inde
597
Bolivie
558
Cote d'Ivoire
203
http://donnees.banquemondiale.org/indicateur/EG.USE.ELEC.KH.PC
Chap1 : structure thermique de
l'atmosphère
●
I - Température de surface des planètes du système solaire
●
II - Profil vertical moyen de l'atmosphère terrestre
●
III - Equilibre radiatif de la Terre
●
généralités
●
apport d'énergie du soleil (TD)
●
bilan radiatif de la Terre et effet de serre
●
impacte des nuages sur la température (TD)
III-1 mécanisme de l'effet de serre
II Effet de serre/ 1 principe
Effet de serre simplifié
Quantité émise
par le soleil
10
0/8
10
0/4
Rayonnement en λ visible
Rayonnement en λ IR
100
10
0/1
6
10
0/8
10
0/4
10
0/2
SOL
0/8
10
0/4
10
0/2
10
100
10
0
10
0/2
100
Etc...
200
200
Absorption - réchauffement, émission IR
●
●
●
On suppose que l'atmosphère infiniment mince : le rayonnement
absorbé puis réemis par l'atmosphère part soit dans l'espace ou le
sol mais n'est pas réabsorbé par l'atmosphère
L'atmosphère 100% transparente aux rayonnements visibles et 100
% opaque aux IR.
Sol absorbe 100% l'énergie du soleil (corps noir) et le réémet
(équilibre)
II Effet de serre/ 1 principe
Effet de serre simplifié
Quantité émise
par le soleil
Au niveau du sol :
100
100
100
SOL
• Sans serre et à l'équilibre, il
en arrive 100 et en repart
100
200
• Avec serre, à l'équilibre, il
en arrive et en repart 200
Bilan radiatif de l'atmosphère
Dynamique de l'atmosphère/ II Bilan radiatif /1 Bilan global
(hors effet de serre – suppose que les nuages
n'émettent que vers le haut)
●
●
rouge : la surface de la Terre a une température d'~300K =>
elle émet essentiellement de la lumière IR : 21
jaune : la température de surface du soleil est de ~6000K => Le
soleil émet de la lumière entre les proches IR et les Uvs
Dynamique de l'atmosphère/ II Bilan radiatif /1 Bilan global
Bilan radiatif de l'atmosphère
●
●
●
30% de la lumière émise par le soleil est réfléchie. Elle repart
dans l'espace
51% est absorbée par la surface,
19% est absorbé dans l'atmosphère. Dans la mésosphère,
l'oxygène absorbe les rayonnement les + énergétique. Dans la
stratosphère l'ozone absorbe les UV. Dans la troposhère la
vapeur d'eau capte les proches IR.
Dynamique de l'atmosphère/ II Bilan radiatif /1 Bilan global
Absorbtion de la lumière émise par le soleil
par l'atmosphère
●
Mésosphère : l'oxygène absorbe les rayonnements les +
énergétique (UV lointain)
●
Stratosphère : l'ozone absorbe les UV
●
Troposphère : la vapeur d'eau, nuages, absorbent les IR.
Dynamique de l'atmosphère/ II Bilan radiatif /1 Bilan global
Diffusion de la lumière émise par le soleil
●
●
Les particules fines de l'atmosphère diffusent les rayonnements
(bleu) dans toutes les directions. Une partie part vers l'espace, l'autre
vers le sol. Ainsi le ciel est bleu.
Troposphère : gouttelettes d'eau des nuages diffusent la lumière sur
une large plage de longueur d'onde => nuages sont gris
Dynamique de l'atmosphère/ II Bilan radiatif /1 Bilan global
Emission d'IR par la Terre
●
●
●
La surface de la Terre étant de 300 K elle émet dans les IR
Flux de chaleur sensible : chaleur transmise par conduction
vers la troposhère
Chaleur latente : évaporation des océan puis la condensation
des nuages revient à transférer de l'énergie du sol vers la
troposhère
●
●
La Terre reçoit 100 et revoie : 30 +70 =100
L'atmosphère absorbe 3+16+15+7+23=64 et
réémet 38+26= 64
En ajoutant l'effet de serre (simplifié)
●
Le sol reçoit et réemet 51+64=115
Bilan complet mesuré
Chap1 : structure thermique de
l'atmosphère
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I - Température de surface des planètes du système solaire
●
II - Profil vertical moyen de l'atmosphère terrestre
●
III - Equilibre radiatif de la Terre
●
généralités
●
apport d'énergie du soleil (TD)
●
bilan radiatif de la Terre et effet de serre
●
impacte des nuages sur la température (TD)
Role des nuages sur l'effet de
serre et l'albédo
Dynamique de l'atmosphère/ II Bilan radiatif /2 Influence des nuages /a Généralités
L'eau dans l'atmosphère
●
L'essentiel de l'eau se trouve dans les nuages sous forme de
vapeur, liquide ou de glace
●
La présence d'eau diminue la densité de l'air
●
=> l'eau influence la dynamique de l'atmosphère
Dynamique de l'atmosphère/ II Bilan radiatif /2 Influence des nuages /a Généralités
Répartition du type de nuages en fonction de l'altitude
MAXIMUM = 8 - 18 km
Stratosphère
Troposphère
Dynamique de l'atmosphère/ II Bilan radiatif /2 Influence des nuages /a Généralités
CUMULONIMBUS
ALTOSTRATUS
CUMULUS
CIRRUS
Nuage = eau solide/liquide
●
●
●
Lorsque l'eau contenue dans l'atmosphère se
refroidit elle forme des goutelettes qui vont
s'agglomérer pour former un nuage
=> les nuages sont consitués de goutelettes
d'eau liquide ou solide
Les nuages ont deux effets contraires sur la
température :
●
=> Ils ont un fort albédo
●
=> L'eau est un gaz à effet de serre
Concentration moyenne d'H20 dans
l'atmosphère moyennée sur 4 ans
Concentration moyenne d'H20 dans
l'atmosphère moyennée sur 4 ans
●
L'atmosphère contient plus d'H20 dans les zones
chaudes => plus d'évaporation
Forçage radiatif en hiver dans les courtes
longueur d'onde du au nuage
●
Au dessus des surfaces de faible albédo t.q l'eau et des forets,
les nuages augmentent sensiblement l'albédo
●
=> plus d'énergie solaire réfléchie
●
=> moins d'énergie absorbé
●
=> contribue à refroidir la Terre = forçage radiatif négatif
Forçage radiatif en hiver dans les courtes
longueur d'onde du au nuage
●
Au dessus des surfaces d'albédo élevé t.q la glace ou les
déserts les nuages ont moins d'impact
●
=> Il est difficile d'augmenter l'albédo d'une surface qui a
déjà un albédo proche de 1 !
Bilan de l'influence des nuages sur le bilan radiatif
de la Terre
Bilan de l'influence des nuages sur le bilan radiatif
de la Terre
●
●
●
●
Au dessus des surfaces de fortes albédo, désert + poles : effet de serre
domine sur l'albédo, et les nuages réchauffent l'atmosphère.
Au dessus des océans au hautes latitudes : nuages bas contribuant moins à
l'effet de serre + forte augmentation de l'albédo => fort refroidissement de la
Terre.
Au dessus des tropiques : nuages de cirrus dans les hautes altitudes → fort
effet de serre et augmentation de l'albédo=> forçage radiatif proche de 0
=> CCL : nuages refroidissent la Terre !
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●
●
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Nuages de faibles altitude t.q les stratus,
cumulus: faible effet de serre, mais albédo
élevé (car + chaud).
Cirrus hautes altitude : modifie peu l'albédo, fort
effet de serre (car + froid)
Nuages de fortes extensions verticales : bilans
nuls
Quel serait l'impacte du réchauffement
climatique sur la répartition des nuages ??
Bilan du III – équilibre radiatif de la Terre
●
Effet de serre due à certains éléments qui sont
transparents à la lumière visible mais absorbent
les IR
●
Bilan radiatif de la Terre
●
Nuages ont tendance à refroidir la Terre
Bilan du chapitre I : structure thermique
de l'atmosphère
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Mesure et calcul de la température des planètes du
système solaire
Structure 1D de l'atmosphère (composition chimique,
gradient adiabatique, formation de l'ozone ,....)
Mécanisme de l'effet de serre, bilan radiatif de la Terre,
role des nuages