Les composantes du système climaøque

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Les composantes du système clima7que L’océan – Processus physiques Les mouvements de masses d'eau dans l'océan sont dus à différents phénomènes: -­‐  le vent entraîne les eaux superficielles, induisant des courants de surface. -­‐  les courants de surface et les excès de précipita7ons ou d'évapora7on induisent des varia7ons de pression qui engendrent des courants de sub-­‐surface sur plusieurs centaines, voire plusieurs milliers, de mètres de profondeur. -­‐  Les varia7ons de densité dues aux différences de température et de salinité peuvent induire des mouvements ver7caux des masses d'eau (circula1on thermohaline). Le mouvement des masses d’eau suit le principe fondamental de la dynamique : Coriolis
Gravité
⎧
⎪ − f v
⎪
⎪
⎪ + f u
⎨
⎪
⎪
⎪
⎪⎩ g
Pression
Frottements
=
−
1 ∂P
ρ ∂x
+
=
−
1 ∂P
ρ ∂y
+
=
−
1 ∂P
ρ ∂z
Page 45 Institut Pierre Laplace Chapitre 2 : Le Simon système clima7que – Lois et mécanismes 1 ∂τ x
ρ ∂z
1 ∂τ y
ρ ∂z
1.4.a
1.4.b
Source : IPSL
1.4.c
Page 45 Les composantes du système clima7que L’océan – Processus physiques Circulation de surface : Carte historique des courants de surface
Gyre Nord Atlantique
Page 46 Institut Pierre Laplace Chapitre 2 : Le Simon système clima7que – Lois et mécanismes Page 46 Les composantes du système clima7que L’océan – Processus physiques Circulation de surface : la circulation océanique forcée par le vent
Le vent à la surface de la mer crée une force de frottement sur l’eau appelée « tension du
vent » (τ, exprimée en N/m2) donnée par la relation empirique :
k : coef de frottement , U : composante horizontale de la vitesse du vent
τ = ρakUa2
Relation entre la tension du vent et le courant :
Les forces de frottements et de Coriolis compensent le vent. Le courant créé par les forces de
frottement est dévié vers la droite (HN). Cette déviation se propage vers le bas par viscosité et on
obtient un transport moyen de matière hors de l'axe des vents de surface : transport d’Ekman
Tension du vent
=> Transport d’Eckman :
⎧
⎪ VE =
⎪
⎨
⎪
⎪⎩ UE =
€
τxsurf
−
ρf
τysurf
+
ρf
Composante zonale
Composante méridienne
vitesse
du courant
1.8.a
1.8.b
δE = √(2Kv/f) : profondeur de la couche
d’Ekman, influencée par le vent
Source : IPSL
Courant moyen
créé par le vent
Vitesse du courant nulle
en profondeur
Principe de la spirale d’Ekman :
Equilibre des forces à la surface de l’océan et propagation du courant en profondeur
Page 47 Institut Pierre Laplace Chapitre 2 : Le Simon système clima7que – Lois et mécanismes Page 47 Les composantes du système clima7que L’océan – Processus dynamiques : circula7on générale Surface et Sub-surface : Upwelling et downwelling
La convergence ou divergence horizontale
de l’eau induit des mouvements verticaux =
pompage d’Ekman
Upweling côtier
L’eau étant un fluide incompressible, on a :
du dv dw
+
+
=0
dx dy
dz
En intégrant cette équation entre la base de la
couche d’Ekman et la surface, on obtient :
€
surf ⎛
⎛ du dv ⎞
dw ⎞
+
dz
=
−
⎜
⎟ dz
⎜
⎟
∫
∫
dy ⎠
base ⎝ dx
base ⎝ dz ⎠
surf
On retrouve les composantes du transport
d’Ekman
€
⎛ dUE dVE ⎞
surf
base
+
⎜
⎟ = − ( w − w )
dy ⎠
⎝ dx
Mais comme wsurf =0 on en déduit :
⎛ d(τ surf ρf ) d τ surf ρf ⎞
(x
) ⎟
y
base€ ⎜
w
= ⎜
−
⎟
dx
dy
⎝
⎠
w base
⎛τ surf
= rot ⎜⎜
⎝ ρf
€
Page 48 Institut Pierre Laplace Chapitre 2 : Le Simon système clima7que – Lois €et mécanismes ⎞
⎟⎟
⎠
rot > 0 =>
upwelling
rot < 0 =>
downwelling
Page 48 Les composantes du système clima7que L’océan – Processus dynamiques : circula7on générale Surface et Sub-surface : relation entre vent et courant de surface
Source : M.Roy-Barman et Jeandel
Page 49 Institut Pierre Laplace Chapitre 2 : Le Simon système clima7que – Lois et mécanismes Page 49 Les composantes du système clima7que L’océan – Processus physiques Surface et Sub-surface : cas de la divergence équatoriale
• Les courants suivent la direction du vent à l’équateur
(f=0) : Accumulation d’eau à l’ouest à cause des alizés
(vents d’est) et contre courant équatorial en sub-surface.
(c)
• A proximité de l’équateur, divergence à cause
des alizés : transport d’Eckman (a) et effets sur
la thermocline (b) et (c).
Source : School for Marine Sciences and Technology Umass-Dartmouth – online seminar
Page 50 Institut Pierre Laplace Chapitre 2 : Le Simon système clima7que – Lois et mécanismes Page 50 Les composantes du système clima7que L’océan – Processus physiques Sous la thermocline : les courants géostrophiques
Les forces de pressions et la force de
Coriolis s’équilibrent
⎧
⎪⎪− f v
⎨
⎪+ f u
⎪⎩
=
=
1 ∂P
ρ ∂x
1 ∂P
−
ρ ∂y
−
Conditions Barotropes
Conditions Baroclines
1.14.a
1.14.b
€
Courants géostrophiques
indépendants de la
profondeur
Courants géostrophiques
augmentant avec la
profondeur
La vitesse dans les eaux de surface est donnée par la pente de la thermocline qui peut être
obtenue par de simples mesures hydrographiques.
Source : Ocean Circulation, The Open University
Page 51 Institut Pierre Laplace Chapitre 2 : Le Simon système clima7que – Lois et mécanismes Page 51 €
Les composantes du système clima7que L’océan – Processus physiques Sous la thermocline, circulation à grande échelle : vorticité et transport de Sverdrup
Vorticité relative
Vorticité planétaire
Vorticité absolue
Vorticité potentielle
Conservatif !
Principe de conservation du moment cinétique =>
Une colonne d’eau qui s’étire ou se tasse doit donc changer de latitude pour conserver sa vorticité potentielle
Transport de Sverdrup
⎧
⎧ ∂ f
∂f
∂v
∂2 P
∂ ⎛∂τ x ⎞
car f ne varie pas avec la longitude.
v −ρf
= −
+
⎪− ρ
⎪ ∂x = 0 1.21.a
⎜
⎟
⎪
∂y
∂y
∂y ∂x
∂y ⎝ ∂z ⎠
⎪
⎨
⎨
⎪ ∂ f = ⎛ ∂ f ⎞ × ⎛ ∂ ϕ ⎞ = 2 ω cosϕ
∂f
∂u
∂2 P
∂ ⎛∂τ y ⎞
⎪
⎜
⎟
Or : ⎪ ∂y ⎜ ∂ϕ ⎟1.21.b
⎪+ ρ ∂x u + ρ f ∂ x = −∂x ∂y + ∂x ⎜ ∂z ⎟
RT
⎝ ⎠ ⎝ ∂y ⎠
⎩
⎝
⎠
⎩
⎛ ∂ US
∂ [τ ysurf − τ yfond ]
∂ [τ xsurf − τ xfond ]
∂ VS ⎞
+
−
On en déduit : ρ β VS + ρ f ⎜
⎟ =
∂y ⎠
∂x
∂y
⎝ ∂x
€
On suppose que :
∂ US
∂ VS
- le transport horizontal n’est pas divergent : ∂x + ∂y ≈ 0
€
fond
fond
- les frottements au fond de l’océan sont nuls : τy
ρ β VS
=
τx
1.22
=0
( )
= rot€ τ surf
€
€ Vs est appelé transport de Sverdrup.
Le transport méridien
Page 52 Institut Pierre Laplace Chapitre 2 : Le Simon système clima7que – Lois et mécanismes Page 52 Les composantes du système clima7que L’océan – Processus physiques Surface et Sub-surface : Phénomènes ondulatoires
Ondes de Rossby
-Onde planétaire
- Déplacement Ouest-Est
- Liées aux variations de coriolis
avec latitude
- Transport de Q et E
http://sealevel.jpl.nasa.gov/
Ondes de Kelvin équatoriale
et côtière
-Onde de gravité basse fréquence
- Déplacement Est-Ouest
- Initiées par variations brusques des
vents
- Contrôlées par force de Coriolis
contrainte (côtes) ou nulle (équateur)
- Connection avec El Niño
Source : whatonearth.olehnielsen.dk
Page 53 Institut Pierre Laplace Chapitre 2 : Le Simon système clima7que – Lois et mécanismes Ondes internes
-se forment à l’interface des
niveaux de différentes densités
-rôle important dans les
processus de mélange vertical
Image satellite d’ondes internes,
source : NASA
Page 53 Les composantes du système clima7que L’océan – Processus physiques La circulation thermohaline :
• Courants de profondeur générés par des
différences de température et de salinité
entre masses d’eau.
• La formation de la banquise en mer du
Groenland et de Norvège génèrent des
eaux froides et salées
• Ces eaux denses plongent et initient la
circulation thermohaline (Conveyor Belt)
qui participe au transfert d’énergie des
zones excédentaires (tropiques) vers les
zones déficitaires (hautes latitudes)
• L'eau froide, en descendant, se mélange
avec le milieu ambiant, créant des
tourbillons.
Page 54 Institut Pierre Laplace Chapitre 2 : Le Simon système clima7que – Lois et mécanismes Page 54 
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