cours1a

Caractéristiques de l’atmosphère
Fluide composé de plusieurs gaz
dont l’état est défini par :
- sa température
- sa densité
- son état de mouvement
Air atmosphérique
Air sec
Nitrogène
Oxygène
Argon
Air humide
Air sec + vapeur d’eau
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
 tout corps conserve son état de repos ou de
mouvement rectiligne et uniforme, à moins que des
forces n’agissent sur lui.
Conservation de la quantité de mouvement
La force nette agissant sur une particule de masse m
produit une accélération a = (F)/m de même direction
que la forces nette.
Loi de l’action et réaction
La force exercée sur un corps A par un corps B est
égale et opposée à la force exercée sur B par A
Dynamique
Référentiel inertiel :
Référentiel dans lequel les lois de Newton son
valables
Forces :
Force de gravité
Force de pression
Force de frottement
Forces d’inertie
Centrifuge
Coriolis
Forces dans l’atmosphère :
gravité
Force gravitationnelle
a
r
m
F
GM
*
g  2
m
r
M
Au niveau de la mer :
GMm  r 
F  2  
r r
Fg
GM
g  2
m
a
*
0
r 
 
r
r 
 
r
Forces dans l’atmosphère :
gravité
Accélération de la gravité
g 
*
0
Fg
m
Gravité apparente
g  g0*  ccentrifuge
Forces dans l’atmosphère :
gravité
Selon notre référentiel, la force de gravité a
une seule composante non nulle : la composante
selon la verticale locale qui coïncide avec l’axe des z
et a une valeur négative
g  g  ccentrifuge  9,81z m/s
*
0
2
La force de gravité est légèrement plus élevée au pôles
qu’à l’équateur. Raisons ???
La différence entre g et g
*
0 est
inférieure à 1%
Forces dans l’atmosphère :
Coriolis
Cette force apparaît dans nos équations de mouvement
quand le référentiel choisi est en rotation et le corps
est en mouvement.
Or le vent est de l’air que se déplace par rapport à un
référentiel solidaire de la surface terrestre et la Terre
en rotation.
On reviendra plus tard à cette force.
Forces dans l’atmosphère : le
frottement
Les molécules des corps rentrent en collision souvent.
Au moment de la collision il y a échange de quantité de
mouvement. Les molécules que se déplacent à des vitesses
plus élevées ralentissent et les plus lentes accélèrent.
En général, un corps qui est en contact avec un corps qui
se déplace à vitesse différente accélère ou ralenti.
Il a donc une force. C’est la force de frottement.
Forces dans l’atmosphère : le
frottement
Dans l’atmosphère, la force de frottement est plutôt
le résultat des tourbillons d’air qui échangent leur
quantité de mouvement. C’est la force de frottement
turbulente.
La surface terrestre subit une accélération, pendant
que l’air au dessus ralentit. Si la surface est mobile
(surface d’un lac, d’un océan) cette force est à l’origine
des vagues et des courants océaniques.
Forces dans l’atmosphère : le
frottement
La force de frottement dans l’atmosphère dépend
des tourbillons atmosphériques. Ces tourbillons
sont très intenses les jours de soleil et sont moins
intenses pendant la nuit.
La force de frottement varie pendant la journée. Elle suit
à peu près le cycle du soleil.
La force de frottement est important seulement
dans une couche d’épaisseur 1 km, proche de la surface.
Pourquoi?
Thermodynamique
La loi des gaz parfaits
pV  nR*T
Définition de pression d ’un gaz
Définition thermodynamique de
température
Définition de mole
Pression
A
F
F
F
p  lim
A0 A
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
Pression
F
A0 A
p  lim
X L
N molécules
vx
ZL
Force appliquée à la parois par 1 molécule
px 2mvx mvx2
Fx 


t
2 L / vx
L
Pression sur la parois
Nmvx2 1 Nmvx2
Nmv 2
p 

 pV 
2
L L
V
3
Température
Théorie cinétique des gaz
Nmv 2
pV 
3
Loi des gaz parfaits (empirique)
N *
pV  nR T 
R T  NkT
NA
*
mv 2
1
3
 kT  mv 2  kT
3
2
2
Énergie interne
Énergie cinétique moyenne d’une molécule de gaz :
1 2 3
mv  kT
2
2
Énergie interne totale du gaz parfait:
3
U  NkT
2
Équation d ’état un gaz parfait
M a masse molaire = masse de NA molécules (une mole)
R*
pV  nM a
T  ma RaT  p   a RaT
Ma
ma nM a
N Ma
a 


V
V
Na V
NA est le nombre d’Avogadro = 6,023 1023
Équation d ’état pour l’air
atmosphérique sec
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
Équation d ’état pour l’air
atmosphérique humide
Air humide = air sec + vapeur d’eau
mv
mv
q

m  md  mv  md  qm
où
m md  mv
M a  M d  R  (1  0,61q) Rd
p  d Rd Tv
Tv  T (1  0,61q)
Pression de l’air humide
Température virtuelle
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 Everest
est de 30 C, quelle est la température au sommet de l’Everest
(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