Variabilité naturelle des caractéristiques spécifiques des milieux

Variabilit´e naturelle des
caract´eristiques sp´ecifiques
des milieux terrestres et marins
Nathalie DANIAULT
Laboratoire de Physique des Oc´eans
2005

ND (LPO/UBO)1
REFERENCES et lectures compl´ementaires
Brahic, A., M. Hoffert, A. Schaaf et M. Tardy, Sciences de la terre et de l’univers, Vuibert
(Paris), 1999.
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1979.
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Jousseaume, S., Climat d’hier et de demain, CNRS Editions, Paris, 1993.
Minster, J.F., Les oc´eans, Dominos-Flammarion, 1994.
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Press, Inc (London), 1977.

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Table des mati`eres
1 Introduction 3
1.1 L’atmosph`ere ..................................... 3
1.2 L’hydrosph`ere .................................... 6
1.3 Lacryosph`ere ..................................... 8
1.4 Lalithosph`ere .................................... 9
1.5 Labiosph`ere ..................................... 10
1.6 La nature du syst`eme climatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2´ Equations de base de la dynamique des fluides g´eophysiques 12
2.1 Conservation de la masse - ´equation de continuit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2 ´ Equationsdumouvement .............................. 14
2.2.1 Passage aux axes li´es `a la terre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.2 Letermedepression ............................. 15
2.2.3 Gravit´e et force centrifuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.4 Coriolis .................................... 17
2.2.5 les effets du frottement (friction) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.6 Les termes non-lin´eaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.7 Les ´equations du mouvement dans le rep`ere terrestre . . . . . . . . . . . 19
3 Diff´erentes d´ecompositions de la circulation 20
3.1 Les ´equations de l’´ecoulement moyen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.1.1 Tension de Reynolds et viscosit´e turbulente . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1.2 R´esolution spatiale et temporelle de la circulation . . . . . . . . . . . . . 22
3.2 Filtrage des ´equations de base pour l’atmosph`ere . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2.1 ´ Echelles caract´eristiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2.2 ´ Equationverticale .............................. 27
3.2.3 ´ Equilibre g´eostrophique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2.4 Moyenne´echelle................................ 30
3.3 Filtrage des ´equations de base pour l’ oc´ean . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.4 Les nombres sans dimension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.4.1 Les nombres de Rossby, d’Ekman, de Reynolds . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.4.2 Les nombres de Froude, de Burger, de Richardson . . . . . . . . . . . . . 33
4 Observation de la variabilit´e du climat 36
4.1 Les programmes de recherche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.2 lesmesuresessentielles ................................ 37
4.2.1 L’atmosph`ere................................. 37

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4.2.2 L’hydrosph`ere ................................ 38
4.2.3 Lacryosph`ere ................................ 39
4.2.4 Lalithosph`ere ................................ 39
4.2.5 Labiosph`ere ................................. 39
4.3 Les mesures par satellites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.4 Lesperspectives.................................... 41

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Chapitre 1
Introduction
Le syst`eme climatique (S) est un syst`eme (figure 1.1) form´e de cinq composantes majeures:
l’atmosph`ere (A), l’ hydrosph`ere (H) incluant l’oc´ean (O), la cryosph`ere (C), la lithosph`ere (L)
et la biosph`ere (B).
Fig. 1.1 – http://www.wmo.ch
1.1 L’atmosph`ere
L’atmosph`ere de la terre est un film fin de m´elange gazeux, distribu´e uniform´ement sur
toute la surface du globe. Dans la direction verticale plus de 99% de la masse de l’atmosph`ere
est concentr´ee dans les 30 premiers kilom`etres. En comparaison les dimensions horizontales
de l’atmosph`ere sont de l’ordre de 2πR '40000km, o`u R'6400km est le rayon terrestre.
Cependant, malgr´e sa masse et son ´epaisseur relativement faibles, l’atmosph`ere constitue la
composante centrale du climat.