Les composantes du système climaøque
publicité
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
