cours 1
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Physique et atmosphère Jean-Pierre Blanchet Peter Zwack Patrick Grenier Eva Monteiro Physique et atmosphère Introduction Pourquoi étudier l’atmosphère? L’agriculture La sécurité Les loisirs Les décisions politiques et économiques Changements climatiques? Pluies acides? Disparition de l ’ozone stratosphérique? cryosphère soleil atmosphère nuages biosphère hydrosphère Météorologie et Climatologie sciences multidisciplinaires lithosphère UQÀM Systèmes météorologiques Nuages Les types de nuages? Comment se forment les nuages? Effets sur le climat Types de précipitation Comment se produit la précipitation? Tempêtes et orages Enclume Tourelle Tornades Keller Ouragans Dora Brise de mer Prévisions atmosphériques Comment se font les prévisions? Pourquoi on parle de prévision probable ? Pourquoi, parfois, les prévisions sont « mauvaises» ? Le climat planétaire Changements climatiques ? Effet de serre Phénomènes optiques Le temps et le climat Le mouvement de la Terre combiné à l’énergie solaire produit une infinité de comportements de l’atmosphère... Le temps : état de l ’atmosphère à un moment et à point donnée Le climat : Information statistique, que nous aide à décrire une région ou une place. Le temps et le climat... … sont définis par: La température de l ’air L ’humidité de l ’air Le type et quantité de nuages Le type et quantité de précipitation La pression exercée par l ’air La vitesse et direction du vent Le temps (t) ou le climat (C) ? À Montréal, les étés sont chauds et humides C Présentement le ciel est complètement couvert t La température minimale observée le dernier hiver t a été de -24 C Le mois de janvier est notre mois le plus froid de C l ’année La température moyenne du mois de janvier à Montréal est de ... C Épaisseur relative de l’atmosphère 99% de l ’atmosphère est contenue dans les premiers 30 Km au dessus de la surface de la planète Le rayon de la Terre est ... 6400 Km … alors la profondeur de l ’atmosphère est de 0.5 % du rayon de la Terre. Quelle est l ’épaisseur de l ’atmosphère dans un modèle de la planète ou le rayon de la Terre est de 1 mètre ? Pourquoi la Terre ne perd pas son atmosphère comme la Lune la perdu ? Les débuts de notre univers Le Big Bang Galaxies vues par le téléscope Hubble Origine de l ’atmosphère Une histoire vielle de 5 milliards d'années ... Naissance de la Terre: atmosphère primitive: hydrogène + hélium Échappement des gaz légers: Dégazage des roches vapeur d ’eau, dioxyde de carbone et nitrogène Origine de l ’atmosphère Atmosphère secondaire CO2 H2O H2 N2 SO2 Pourcentage par volume des gaz émis par les volcans d ’Hawaii Tableau 1-1 Gaz Vapeur d’eau (H2O) Dioxyde de carbone (CO2) Dioxyde de soufre(SO2) Nitrogène (N2) Hydrogène (H2) Autres Pourcentage 79,3 11.6 6,5 1,3 0,9 0,7 Source: Anthes 1992 Origine de l ’atmosphère Spécificité de la Terre: l’eau liquide! Dissolution de CO2 dans l ’eau Absorption de UV solaires Apparition de la Vie Photosynthèse: CO2 + H2O + lumière = CH2O + O2 Respiration: CH2O + O2 = CO2 + H2O + énergie Atmosphère actuelle Aujourd’hui… Apparition de l ’être humain Atmosphère actuelle 78% N2 0.9 % A 21% O2 Autres gaz: moins de 1% Composition actuelle de l ’atmosphère Tableau 1-2 Composition volumétrique de l'air. Nom du gaz Pourcentage présent Azote (N2) 78 % Oxygène (O2) 21 % Argon (A) 0,93 % Vapeur d'eau (H2O) 0-4% Dioxyde de carbone (CO2) 0,033 % Néon (Ne) 0,0018 % Krypton (Kr) 0,000114 % Hydrogène (H) 0,00005 % Oxyde d'azote (N2O) 0,00005 % Xénon (Xe) 0,0000087 % Ozone (O3) 0 - 0,000001 % Atmosphère future ... Passage du Soleil à la phase Géante rouge Dans 4 à 5 milliards d ’années ... …mort de la Terre et de son atmosphère Origine de l ’atmosphère: résumé L ’atmosphère primitive disparaît de la planète Atmosphère de type volcanique Formation des océans Dissolution du CO2, SO2 et disparition de H2 Apparition de la vie Formation de l ’atmosphère actuelle Composition de l ’atmosphère actuelle Essentiellement variable dans le temps et dans l ’espace. Définition de l ’air sec Importance des autres composantes Composition actuelle de l’atmosphère (gas permanents) Nitrogène N2 78,00 % Oxygène O2 21,00 % Argon Ar 0,93 % Composition actuelle (composantes variables) Vapeur d’eau Dioxyde de carbone Méthane Monoxyde d ’azote Ozone Particules (aérosols) H2 O CO2 CH4 N2O O3 0-4 0,036 0,00017 0,00003 0,000004 0,000001 Composition actuelle de l’atmosphère Tableau 1-2 Composition volumétrique de l'air. Nom du gaz Pourcentage présent Azote (N2) 78 % Oxygène (O2) 21 % Argon (A) 0,93 % Vapeur d'eau (H2O) 0-4% Dioxyde de carbone (CO2) 0,033 % Néon (Ne) 0,0018 % Krypton (Kr) 0,000114 % Hydrogène (H) 0,00005 % Oxyde d'azote (N2O) 0,00005 % Xénon (Xe) 0,0000087 % Ozone (O3) 0 - 0,000001 % Physique et atmosphère Étude scientifique de l’atmosphère Pour pouvoir interpréter les phénomènes atmosphériques il faut connaître les «lois de la nature » régissant le comportement de l ’atmosphère La Physique appliquée à l ’atmosphère Choix du modèle du système atmosphérique L ’air sec: mélange de gaz parfaits Milieu continu L ’air humide: l ’air sec + la vapeur d ’eau L ’atmosphère est une machine thermique: Les mouvements atmosphériques sont possibles par la conversion de l ’énergie solaire en d ’autres formes d ’énergie Les « lois de la nature » Conservation de la quantité de mouvement Conservation de la masse Conservation de l’énergie Branches de la Physique utilisées dans l ’étude des phénomènes atmosphériques La dynamique La thermodynamique L’électromagnétisme La dynamique Les trois lois de Newton Loi de l’inertie Conservation de la quantité de mouvement Loi de l’action et réaction Dynamique Référentiel inertiel Force gravitationnelle GMm r F 2 r r Force centrifuge Dynamique Accélération de la gravité g Fg m Gravité apparente g g0* ccentrifuge Thermodynamique La loi des gaz parfaits pV nR*T Définition de pression d ’un gaz Définition thermodynamique de température Définition de mole Théorie cinétique des gaz Postulats: Un gaz idéal est formé de particules infinitésimales qui n’interagissent autrement que par collision Leur volume est négligeable Les particules sont en constant mouvement Les particules n ’exercent aucune force mutuellement L ’énergie cinétique moyenne d ’un groupe de particules de gaz proportionnelle à la température exprimée en kelvins Équation d ’état pour l’air atmosphérique Soit p la pression, d la densité et Td la température de l ’air sec. À l ’équilibre les trois variables thermodynamiques sont reliées par l ’équation. p d Rd T Structure verticale de l’atmosphère terrestre Densité Pression Température Profil vertical de la température Selon vous comment varie la température avec la hauteur? Structure verticale de l’atmosphère terrestre La troposphère La stratosphère La mésosphère la thermosphère l’exosphère La troposphère Le sommet de la troposphère s ’appelle tropopause et sépare la troposphère de la stratosphère. C ’est dans la troposphère que tous les le phénomènes atmosphériques sont observés Couche essentiellement instable Le taux de décroissement de la température est, en moyenne, de 6.5 °C / km (gradient vertical de la température). Le courant jet se situe au sommet de cette couche Cette couche est plus épaisse l ’été que l ’hiver La hauteur de la tropopause est proportionnelle à la température moyenne de la troposphère La troposphère (taux de refroidissement vertical) Le taux de refroidissement vertical moyen dans la troposphère est de 6.5 C/km. Si la température à la base du Mt Éverest est de 30 C, quelle est la température au sommet de l’Éverest (9 km au dessus de la base) ? La troposphère Exercice : trouver la troposphère ... La troposphère Exercice : trouver la troposphère ... La stratosphère S ’étend de la tropopause jusqu ’à plus au moins 50 km Contient la couche d ’ozone (maximum de concentration entre 20 et 30 km) La température augmente avec la hauteur Pourquoi la température augmente avec la hauteur dans la stratosphère??? La mésosphère La température diminue avec l ’altitude ??? La thermosphère La température augmente avec l ’altitude ??? Question Si l ’ozone n ’existait pas dans l ’atmosphère quelle serait, selon vous, le profil de température de 0 à 80 km Le profil selon la composition Profil vertical de la densité Quelle est la définition de la densité ? Quelle est la densité d ’étudiants dans la salle ? Profil vertical de la densité La densité de l ’air décroît avec l ’altitude Pourquoi il y a plus de molécules proche de la surface qu ’en hauteur? Molécules d’air Densité de l’air pression d ’air basse haute Profil vertical de la pression Quelle est la définition de la pression ? Quelle est la pression que j ’exerce sur le plancher en restant debout sur mes deux pieds? Dimensions de mon pied: 22 x 9 cm mon poids: 50 kg Profil vertical de la pression Sommet de l’atmosphère Unités de pression 1 Pa (pascal) = N/m2 1 mb = 100 Pa = 1 hPa Niveau de la mer 1 m 1 m Profil vertical de la pression La colonne d ’air, de base 1 m2, au dessus du niveau de la mer a un poids approximatif de 10 5 N. Quelle est la masse d’air correspondante ? La masse de la colonne d ’air au dessus du niveau de 500 mb Quelle est la masse d ’air, par m2, comprise entre les niveaux de pression de 700 hPa et 500 hPa Profil vertical de la pression Molécules d’air Densité de l’air pression d ’air basse haute Références http://apollo.lsc.vsc.edu/classes/met130/notes/ http://www.educnet.education.fr/obter/appliped/circula/theme/accueil.htm
