Téléchargement

1
Bastien Gendre
Sciences de l’atmosphère (SA 2010)
1. Introduction
Pourquoi les sciences de l’atmosphère sont-elles très importantes ? Car elles nous permettent
de connaître :
- le temps et la météo
- les conséquences de ce temps (risques naturels, etc.)
- la neige, les avalanches, les ouragans, les tornades, etc.
- le climat et le changement climatique
- la qualité de l’air (p.ex. ozone troposphérique)
- les énergies éolienne, hydraulique et solaire
- elles sont utiles pour les forestiers et les agriculteurs
 il ne s’agit pas seulement de prédire le temps, mais de dire pourquoi
Rappel : intro à la géo physique
Les phénomènes naturels ont lieu dans 4 grands domaines : l’atmosphère, la lithosphère,
l’hydrosphère et la biosphère. Le lieu où les 4 domaines interagissent est appelé la vie couche.
Le bilan énergétique de la Terre.
- Rayonnement électromagnétique : toutes les substances au-dessus de -273 degrés
émettent des rayonnements électromagnétiques, les objets chauds émettant plus
d’énergie à des longueurs d’onde plus courtes. Le Soleil émet donc des ondes courtes
(ultraviolets, etc.), et la Terre des ondes longues (ex : infrarouge).
- L’insolation varie selon la latitude et la saison.
- 49% de l’ensoleillement = rayonnement direct (rayonnement qui va directement à la surface
Terre)
- 31% de l’insolation est réfléchie dans l'espace (3% par dispersion 19% par les nuages, 9% par
la terre)
- 20% est absorbé par l’atmosphère
L’hydrosphère
- il existe un cycle de l’eau, dans lequel l’eau
circule de façon constante et cyclique entre les
réservoirs. Bien que l’atmosphère contienne
relativement peu d’eau, elle est responsable de la
plus grande circulation.
L’effet de serre

2
- gaz à effet de serre : dioxyde de carbone, ozone, vapeur d’eau, méthane et CFC. Ils
absorbent le rayonnement d’ondes longues et le renvoient vers la surface de la Terre. De
ce fait, la Terre est plus chaude de 35 degrés que cela ne serait sans ces gaz.
- toutes les études le prouvent, les concentrations atmosphériques de dioxyde de carbone,
de méthane et de protoxyde d’azote augmentent fortement.
Structure de l’atmosphère
- Il y a plusieurs couches, chacune étant délimitée par une couche (tropopause,
stratopause, mésopause):
Troposphère : jusqu’à 12km (baisse T avec altitude). Tous les processus
météorologiques se produisent dans cette zone (sauf les nuages d’ammoniac
qui sont dans la stratosphère)
Stratosphère : 12-50km (augmentation T avec altitude, car il y a une plus
grande concentration d’ozone qui absorbe les UV et qui est un GAES)
Mésosphère : 50-80km (baisse T avec altitude, car moins de particules, et lieu
des étoiles filantes)
Thermosphère : 80-690km (augmentation T avec altitude)
Inversion des températures : c’est quand l’air est plus chaud en altitude, soit parce que le sol
se refroidit la nuit ou lors de circulation d'air froid proche du sol
Les types de nuages sont classés selon l’altitude (cf.f suite du cours).
Il existe 3 mécanismes de précipitations : la convection (élévation d’air chaud qui atteint alors
le point de rosée), le soulèvement orographique (un relief oblige l’air à s’élever jusqu’à son
point de condensation) et le soulèvement frontal (rencontre de masses d’air avec des T
différentes : la masse chaude, moins dense, se soulève).
Note : le sens des cyclones et des anticyclones change en fonction de l’hémisphère : au N,
anticyclone dans le sens des aiguilles d’une montre, cyclone dans le sens contraire.
Le vent est crée par des différences de pressions atmosphériques (provoquées elles-mêmes par
des réchauffements différents): il va tjrs des hautes pressions vers les basses pressions.

3
- Si la terre ne tournait pas, ce mouvement serait direct. Mais comme elle tourne, il y a
la force de Coriolis qui déplace l’air perpendiculairement à son déplacement par
rapport à un observateur au sol. Elle est proportionnelle à la vitesse de déplacement de
la masse d’air, et elle agit vers la droite dans l’hémisphère N, vers la gauche dans
l’hémisphère S. Il n’y a donc pas de telle force à l’équateur.
- C’est cette force qui crée le vent géostrophique, qui est un vent qui se déplace
perpendiculairement au gradient de pression.
Sur terre, il y a des zones de hautes et de basses pressions : basses à l’équateur, hautes aux
tropiques, basses vers 60 degrés N/S, hautes aux Pôles. L’air des zones de basses pressions
monte et redescend dans les zones de hautes pressions, d’où il part vers les zones de basses
pressions.
Il existe des vents spéciaux comme les Jet Streams qui sont des vents très forts en haute
altitude qui se produisent lorsque les gradients atmosphériques de température sont puissants.
Les Ondes de Rossby sont un courant régulier de vent d’ouest en altitude.
Elles se développent au front polaire (qui est une zone instable) et forment des ondes
convolutives et parfois des branches descendantes.
C’est le principal mécanisme pour le transfert de chaleur des pôles
Ces patchs d’air froid créent des zones de basse pression. Les zones d’air chaud entre
ces ondes sont des anticyclones.
Les cyclones sont la forme dominante des systèmes météorologiques aux moyennes et hautes
latitudes. Ce sont de grandes masses d‘air en spirales, qui se forment à plusieurs reprises,
s’intensifient puis se dissolvent.
Les ouragans (p.ex Lothar qui a tué 110 personnes et fait 11,5 miards d’euros de dégâts) ont
comme caractéristique un "œil" central (ciel clair et vent calme).
l'air descend des hautes altitudes dans l’oeil, ce qui fait que les vitesses de vent sont les
plus élevées au "mur de l'œil". L’air remonte ensuite par les spirales externes.
2. Origine et composition de l’atmosphère
a) Formation de la Terre et de l’atmosphère
Formation du soleil.
- Des gaz et de la masse solide, grâce à leur propre gravité, se regroupent. Ceci crée une
si grande chaleur qu’à l’intérieur a lieu une fusion nucléaire. Cela a engendré de très
hautes températures qui provoquent le rayonnement du soleil.
Formation de la Terre.
- Des gaz et des fragments de masse solides, plus faibles que pour le soleil, se
regroupent et tournent ensemble si vite qu’ils ne peuvent pas être captés par le soleil.
L’atmosphère d’autrefois comportait alors bcp de corps qui tombaient sur Terre ou

4
s’en échappaient. De plus, des particules ou des gaz éjectés par les éruptions étaient
svt projetés jusque dans l’espace.
D’où vient l’eau présente dans l’atmosphère ?
- De l’intérieur de la Terre, par dégazage (volcans, etc.). Une fois sortie de la terre, l’eau
a trouvé des températures inférieures à 100O condensation et création des océans.
- Au moment où ce processus s’est produit, il n’y avait pas d’oxygène libre dans
l’atmosphère, mais d’autres gaz qui se sont liés ensemble grâce à la pesanteur et qui
ont donné l’atmosphère que nous connaissons aujourd’hui !
 Mais alors, pourquoi n’y a-t-il pas eu le même processus sur la lune, Mars ou Vénus ?
Lune: elle n’a qu’une masse faible -> force de gravité faible -> tous les atomes de
l’atmosphère lunaire se sont échappés dans l’espace -> création d’un vacuum/vide (situation
actuelle)
Venus: elle est trop proche du soleil. La formation de l’atmosphère découle du dégazage du
soleil et comporte donc trop de gaz à effet de serre -> la température ne descend jamais en
dessous de 100°C -> l’eau s’évapore -> pas d’océans…
Mars: Sa masse est trop faible -> l’eau s’échappe dans l’espace. Mais elle est aussi trop
éloignée du soleil, donc l’eau gèle.
La Terre (ou l’atmosphère) de jadis a pu rencontrer divers problèmes :
La clarté du soleil a augmenté de 25% depuis sa formation -> sans la compensation par
l’atmosphère, les océans se seraient depuis longtemps évaporés.
L’oxygène créé par la photosynthèse s’est accumulé dans l’atmosphère et a dégradé en
partie des gaz (comme le méthane et l’ammoniaque) qui contribuent naturellement à
l’effet de serre. De ce fait, une trop grande dégradation de méthane marque une
diminution de l’effet de serre, donc la Terre a pu devenir une boule de glace.
Nous voyons donc que :
Si la terre était éloignée du soleil de 1% de plus -> elle serait gelée (pas d’humains)
Si la Terre était 5% plus proche du soleil -> trop grand effet de serre (pas d’humains)
Si le soleil n’avait que 83% de sa masse -> toutes les planètes gèleraient aussitôt et il y
aurait une accumulation d’oxygène dans l’atmosphère
Si le soleil était 20% plus gros -> les planètes s’embraseraient en très peu de temps
Si la Terre n’avait que 94% de sa masse -> sa couche d’ozone ne serait pas assez épaisse
pour résister aux rayonnements du soleil
 Pour les humains, la Terre n’est ni trop grosse, ni trop petite, et elle a exactement le
bon éloignement lorsqu’elle orbite autour du soleil (ni trop grand, ni trop petit).
 La Terre est le seul endroit où des océans peuvent se former
Histoire de l’atmosphère

5
1. (environ 4,6 miards d’années). Cette 1ère atmosphère est composée principalement
d’hélium (He) et d’hydrogène (H2) qui étaient les éléments les plus fréquents dans
l’univers. Or, ils se sont échappés dans l’espace.
2. Ce processus a abouti à une deuxième atmosphère, composée par les gaz résultant des
fusions à l’intérieur de la terre (processus volcanique). Cette atmosphère était composée
de : H2O (80%), CO2 (10%) & N2 (<10 %)
3. Il se produisit alors un phénomène de dégazage continuel (outgassing). Conséquences :
a. H2O -> nuages -> pluie (-> océans, rivières...)
b. ravinement du CO2 dans les océans
c. Seul le N2 est don resté !
4. L’oxygène, lui, est assez jeune (la concentration actuelle a été atteinte il y a 100 mios
d’années). Il a augmenté grâce à :
d. La photodissociation : le rayonnement solaire désintègre H2O en H2 et O. H2
s’échappe et O + O -> O2. Cet oxygène est suffisant pour former des plantes
primitives -> photosynthèse -> formation de plus d’oxygène.
b) Composition de l’atmosphère :
Actuellement, l’atmosphère est composée de :
78% d’azote : converti par des bactéries en une forme utile dans les sols
21% d’oxygène : produit par plantes vertes dans la photosynthèse et utilisé dans la
respiration
1% d’argon : inerte ; élément très stable (réagit peu avec d’autres molécules)
0.035% de dioxyde de carbone : utilisés par les plantes vertes pendant la
photosynthèse ; produit par respiration et combustion de combustibles fossiles
0-4% de vapeur d’eau (très variable)
Le reste en Néon, hélium, méthane, produit par les vaches, marécages, termites, etc.
(réactifs avec CO2). Il y a encore : des CFC (entièrement produits par l’homme) et des
aérosols (poussières et particules)
L’abondance de l'ozone (O3) dans la stratosphère et la mésosphère (entre 15 et 60km de
hauteur) atténue le rayonnement ultra-violet. Mais comment se forme-t-elle et se décompose-
t-elle?
Formation : photodissociation de l’oxygène
(1) UV + O2 -> O + O
(2) O + O2 + M -> O3 + M (M = molécule)
Décomposition (2 manières): (a) photodissociation de l’ozone
(3) lumière + O3 -> O2 + O
(4) O + O3 -> 2O2
décomposition : (b) catalytique
(5) X + O3 -> O2+ XO