L`atmosphère - Université de Montréal

1
Notions de base
(graphiques à barres, séries temporelles, cartes,
unités et mesures, etc.)
&
Atmosphère
(effets, composition, structure, histoire)
Oliver Sonnentag, PhD: GÉO2122 – Climatologie
Séance 2: 17 janvier 2012
2 Lectures
Lectures obligatoires
•  Hartman DL (1994), Global Physical Climatology. Academic
Press, San Diego, CA, USA.
! Disponible en ligne (accès sur Internet par le biais de
l’Université de Montréal).
•  Bonan G (2008), Ecological Climatology. Cambridge
University Press, Cambridge, UK.
! Doit être acheté à la librairie de l'Université de Montréal.
La bibliothèque de l'université a apporté des modifications à leur
système et l'accès au livre doit être débloqué.
La librairie de l'université a fait une erreur avec la commande.
Oliver Sonnentag, PhD: GÉO2122 – Climatologie
Séance 2: 17 janvier 2012
3 La météo vs. le climat
Météorologie
Climatologie
Étude des propriétés physiques et des processus atmosphériques,
spécialement pertinents pour la météo
L’étude du climat se définit comme étant “le statut thermodynamique et
hydrodynamique des conditions limites qui déterminent l’ensemble
concurrent des patrons de météo.” (Bryson, 1997)
MAIS: la météo et le climat sont interdépendants!
(Anderson and Strahler, 2009)
Des changements météorologiques qui
persistent à long terme pourrait définir des
changements climatiques
Oliver Sonnentag, PhD: GÉO2122 – Climatologie
(Anderson and Strahler, 2009)
Les changements climatiques peuvent
modifier les conditions météorologiques
(Exemple: Augmentation du nombre de
cyclones tropicaux majeurs dans l’Atlantique
Nord)
Séance 2: 17 janvier 2012
4 La variabilité du climat
•  Les événements extrêmes sont plus
fréquents au cours dernières 35 ans
(i.e., ouragans, sécheresses plus
intenses et plus longues, haute de la
fréquence des fortes précipitations).
•  Peuvent indiquer des changements
fondamentaux dans le climat.
(IPCC-AR4, 2007)
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5 La variabilité du climat
Lectures complémentaires
http://www.ipcc.ch/publications_and_data/ar4/wg1/en/faq-3-3.html
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6 Notions de base
Quels sont les éléments clés pour cette diapositive?
Cartes
Code de couleur
Graphiques à barres
Séries temporelles
(IPCC-AR4, 2007)
L’étude de la météo et du climat nécessite l’utilisation de cartes et
de graphiques pour la visualisation des données climatiques et des
résultats de la modélisation.
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7 Notions de base: Graphique (courbe)
•  Courbe: température de l'air vs. altitude.
•  La courbe (en rouge) montre un
changement progressif de la température
avec l’altitude.
•  Le graphique montre l’altitude à laquelle
on retrouve l’inversion de température
(Anderson and Strahler, 2009)
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8 Notions de base: graphique à barres
•  Combinaison graphique à
barres/courbe:
Démontre l’évolution de la
température globale
moyenne dans le temps
(année) depuis 1850
•  Le graphique à barre
démontre la grande
variabilité des données
•  La superposition d’une
courbe sur le graphique à
barre permet d’adoucir les
données et ainsi, déceler une
tendance générale
(Anderson and Strahler, 2009)
•  Dans la plupart des cas, l’axe
des «x» représente le temps
(série temporelle)
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9
Notions de base: coordonnées géographiques
•  Graticule terrestre:
Système de coordonnées géographiques (latitudes et longitudes)
•  Latitude – Angle (Φ) qui indique à quel parallèle est situé un
lieu / Nord-Sud#
•  Parallèles – Cercles imaginaires parallèle au plan de
l’équateur #
•  Longitude – Angle (λ) qui indique à quel méridien est situé
un lieu / Est-Ouest#
•  Méridiens – Grands cercles imaginaires reliant un pôle à
l’autre #
•  Latitude min.
•  Longitude min.
0°(équateur); max
0°; max
90° N & S (pôles)#
(http://fr.wikipedia.org/wiki/
Coordonnées_géographiques)
180°#
•  Projections cartographiques: Permet de représenter la surface
courbe de la sphère terrestre sur un plan
•  Toutes les projections engendrent des déformations#
•  2 exemples de projection: Mercator, polaire#
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10
Notions de base: projection de Mercator
•  Inventée 1569
•  Exagération de la taille des régions situées aux hautes latitudes#
•  Les angles mesurés au compas correspondent directement aux lignes#
•  Utile pour la direction du vent, la température et la pression
(Anderson and Strahler, 2009)
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11 Notions de base: projection polaires
•  Centrée sur les pôles sud ou nord
•  Les cartes du monde standards ne
représentent pas adéquatement les
régions polaires#
•  Exagération de la taille à mesure que
l’on se déplace des pôles vers
l’équateur#
(Anderson and Strahler, 2009)
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12
Notions de base: Informations sur la carte
•  Isolignes: Lignes qui relient des
points ayant la même valeur
•  Courbes de niveau !Lignes qui
relient des points de même altitude
(Anderson and Strahler, 2009)
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13
Notions de base: Informations sur la carte
•  Couleur: représente des points sur la carte qui ont des valeurs
similaires
•  Températures chaudes: en orange et rouge
•  Températures froides: en bleu et mauve
(Anderson and Strahler, 2009)
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14
Notions de base: mesures scientifiques
Les principales mesures météorologiques (et donc le climatiques):
•  Température de l’air: Mesure du degré de chaleur ou de froid de l’air, ce qui
correspond à l’énergie cinétique des molécules d’air.
•  Pression atmosphérique (barométrique): Poids de l’atmosphère par unité de surface.
Ensemble des mesures de base
•  Humidité de l’air: Quantité de vapeur d’eau contenue dans l’air.
•  Précipitations: Eau en provenance des nuages qui parviennent au sol sous forme
liquide ou solide.
•  Vitesse/direction du vent: déplacement horizontal d’une grande masse d’air.
•  Autres mesures: Visibilité, nuages, rayonnement solaire, rayonnement net,
température et humidité du sol, température du sol, épaisseur du couvert de neige,
etc.
Thermometer/
(Modifié d’après Ahrends et al., 2012)
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(http://www.campbellsci.com/weather-climate)
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15
Notions de base: mesures scientifiques
Lectures complémentaires
études de cas:
Automated weather stations
(http://www.campbellsci.com/weather-climate)
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16
Notions de base: Système International (SI)
•  Système métrique
•  Standard scientifique
•  Adopté partout sauf aux États-Unis
•  Unités de base:
•  mètres (m) ! distance
•  kilogrammes (kg) ! masse
•  secondes (s) ! temps
•  Kelvin (K) ! température
(Anderson and Strahler, 2009)
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17 Notions de base: unités dérivées
Unités dérivées: unités obtenues des unités de base
#
•  Densité = masse / volume (kg/m3)#
!  e.g., densité de l'air#
•  Vitesse (“velocity”) = distance parcourue / temps (m/s)#
!  e.g., vitesse (“velocity”) du vent (comprend également la direction!)#
•  Accélération = augmentation de la vitesse / temps (m/s2)#
•  Force = masse x accélération: (Newton) = kg x (m/s2)#
•  Poids = masse x accélération: (Newton) = kg x (m/s2) #
!  force exercée sur un objet due à la gravité#
•  Pression = force exercée par unité de surface: (Pascal) = Newton / m2#
!  e.g., pression de l’air (atmosphérique)#
•  Énergie = force x mouvement d’une masse (Joule) = Newton x m#
!  énergie mécanique – différentes avec le rayonnement#
•  Puissance = augmentation de l'énergie / temps: (Watt) = Joule/s#
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18 Notions de base: température de l’air
• 
Souvent décrit comme simplement «chaud» ou «froid».
• 
Définition «correcte»: mesure de la vitesse des molécules
d'air ! requiert une «échelle» pour être mesuré
• 
Kelvin (K) ! scientifiques, nerds (SI unit)
• 
Celsius (°C) ! utilisé dans la plupart des régions du
monde
• 
Fahrenheit (°F) ! États-Unis
• 
°C = K - 273.15
• 
°F = 1.8(°C) + 32
• 
Les causes principales des variations spatiales sont
d'ordre géographique (latitude, distribution terre-eau,
courants océaniques, élévation)
• 
Mesure:
• 
“liquid-in-glass” thermomètre (e.g., alcool, mercure)
• 
thermomètre électrique (e.g., thermistances,
thermocouple, résistance électrique)
(Ahrends et al., 2012)
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19 Notions de base: pression de l’air
•  Pression: force exercée par unité de surface
(m2)
•  Pression atmosphérique: poids de
l’atmosphère (newton) par unité de surface
•  Pascal (Pa) ! unité SI
•  Bar (bar) ! définit à partir des pascals
•  mm Hg ! utilisé en aviation, ingénierie
•  Autres: atmosphère normale (atm), Torr
(torr), etc.
•  Pression atmosphérique normale au niveau
de la mer:
•  1013.25 hPa = 760 mm Hg = 1013.25
mb
(Ahrends et al., 2012)
•  Mesure:
•  Baromètre (anéroïde, mercure)
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Séance 2: 17 janvier 2012
(Anderson and Strahler, 2009)
La semaine dernière …
Lithosphère (Pédosphère)
Cryosphère
Hydrosphère
Climat
Human
activities
Biosphère
(Sphere images: NOAA Science on a Sphere)
Atmosphère
21 L’atmosphère – c’est quoi?
•  Fine enveloppe gazeuse entourant la Terre
•  ~90% de sa masse totale (5.1 x 1018 kg) se trouve dans les 16 premiers kilomètres
d’altitude (~0.0025 fois le rayon de la Terre).
•  Les mouvements de l’atmosphère(“weather”) se produisent essentiellement à la
surface de la Terre
•  La composition gazeuse de l’air sec (sans vapeur d’eau) est constante dans
l’ensemble de l’atmosphère jusqu’à 100 km en altitude.
•  Les plus grandes et les plus importantes variations dans la composition gazeuse de
l’atmosphère sont liées à l’eau présente sous différentes phases
•  Vapeur d’eau
•  Nuages composés de gouttelettes
d’eau liquide
•  Nuages de cristaux de glace
•  Précipitations: pluie, neige, grêles, etc.
(Notes de cours Yang, 2011)
(Anderson and Strahler, 2009)
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22 L’atmosphère - effets
•  Absorbe les rayons U.V.
•  Permet la propagation du son
•  Désintégration des météorites
•  Permet aux oiseaux et aux avions de voler
•  Diffusion du rayonnement solaire (ciel bleu, coucher et lever de soleil)
•  Cycle hydrologique
•  Météo et climat
(Modifiés après Yang, 2011)
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23 L’atmosphère - composition
Air sec
(Anderson and Strahler, 2009)
+ Vapeur d’eau:
Sa concentration varie constamment avec le temps.
Elle représente de ~0% (e.g., déserts) à 3-4% (e.g., océan tropicaux chauds) du
volume de l’atmosphère
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24 L’atmosphère - composition
Gaz chimiquement inactifs qui n’ont aucune influence sur le rayonnement
•  Azote (N2)
•  Gaz le plus abondant dans l’atmosphère (78%)
•  Substance neutre; elle ne réagit pas avec d’autres substances
•  «Just a filler adding inert “bulk” to the atmosphere»
•  Argon (Ar)
•  Gaz inerte, le 3e en importance dans l’atmosphère
Gaz chimiquement actifs qui n’ont une influence sur le rayonnement
•  Oxygène (O2)
•  Très réactif
•  Est facilement combiné à d’autres éléments
•  Vapeur d’eau (H2O)
•  Sa concentration dans l’atmosphère peut varier considérablement (~0% à 3-4%)
•  Le principal gaz à effet de serre (plus d’informations à la prochaine séance)
•  À l’origine de tous les types de précipitations + bilan énergétique élevé
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25 L’atmosphère - composition
More radiatively and chemically active gases
• 
• 
Gaz carbonique (CO2) ! Gaz trace important
• 
Absorption par les plantes lors de la photosynthèse, et rejeté par celles-ci lors de la
respiration
• 
Gaz dont la concentration augmente de plus en plus rapidement – Effet de serre
(GHG, quatrième séance -> 1/30/2012)
• 
Changes in Atmospheric Constituents and in Radiative Forcing
Frequently Asked Question 2.1
Méthane (CH4) ! Gaz trace
important
How do Human Activities Contribute to Climate Change
•  Très faible concentration,
maisdo
effetThey
de serre
très efficace
and How
Compare
with Natural Influences?
• 
• 
Chapter 2
Augmentation rapide de sa concentration
Human activities contribute to climate change by causing
Oxide nitreux (N2O) !
Gaz
traceatmosphere
important
changes
in Earth’s
in the amounts of greenhouse gas-
es, aerosols (small particles), and cloudiness. The largest known
contribution comes from the burning of fossil fuels, which releases
carbon dioxide gas to the atmosphere. Greenhouse gases and aerosols affect climate by altering incoming solar radiation and outgoing infrared (thermal) radiation that are part of Earth’s energy
balance. Changing the atmospheric abundance or properties of
these gases and particles can lead to a warming or cooling of the
climate system. Since the start of the industrial era (about 1750),
the overall effect of human activities on climate has been a warming influence. The human impact on climate during this era greatly
exceeds that due to known changes
2 in natural processes, such as
solar changes and volcanic eruptions.
• 
Produit naturellement par les bactéries dans le sol
• 
Très faible concentration, mais effet de serre très efficace
• 
Augmentation rapide de sa concentration
Autres gaz traces importants:
• 
O3, NOx (pollution de l’air: NO, NO ), etc.
Greenhouse Gases
Oliver Sonnentag, PhD:
Human activities result in emissions of four principal greenhouse gases: carbon dioxide (CO2), methane (CH4), nitrous oxide
(N2O) and the–halocarbons
(a group of gases containing
fluorine,
GÉO2122
Climatologie
Séance
2: 17
chlorine and bromine). These gases accumulate in the atmosphere,
causing concentrations to increase with time. Significant increases
in all of these gases have occurred in the industrial era (see Figure
FAQ 2.1, Figure 1. Atmospheric concentrations of important long-lived green(IPCC-AR4, 2007)
house gases over the last 2,000 years. Increases since about 1750 are attributed to
human activities in the industrial era. Concentration units are parts per million (ppm)
or parts per billion (ppb), indicating the number of molecules of the greenhouse gas
per million or billion air molecules, respectively, in an atmospheric sample. (Data
combined and simplified from Chapters 6 and 2 of this report.)
janvier 2012
• Ozone is a greenhouse gas that is continually produced and
26 L’atmosphère - composition
More radiatively and chemically inactive gases
Résumé sur l’effet de serre… des informations plus détaillés sont à venir (quatrième séance -> 1/30/2012)
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27 L’atmosphère - ozone
•  Ozone (O3) ! un peu plus compliqué
•  Relativement rare dans l’atmosphère, mais gaz à effet de serre très puissant
•  Ozone stratosphérique (“couche d’ozone“) ! naturelle
•  Ozone troposphérique (smog photochimique= “Los Angeles-type“ smog) ! cause
anthropogénique
•  Rappelez-vous: “Good up high, bad nearby”
(Anderson and Strahler, 2009)
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28 L’atmosphère –smog photochimique
(http://en.wikipedia.org/wiki/Smog)
(http://oceanworld.tamu.edu/resources/environment-book/
atmosphere.html)
Note importante: Le smog causé par la pollution de l’air résulte de réactions photochimiques
plus complexes que celles à l’origine d’autres types de smogs (“London-type“ smog).
Lectures complémentaires
http://irina.eas.gatech.edu/ATOC3500_Fall1998/Lecture19.pdf
http://mtweb.mtsu.edu/nchong/Smog-Atm1.htm
http://www.livinglandscapes.bc.ca/thomp-ok/env-changes/atmos/ch3.html
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Séance 2: 17 janvier 2012
29 L’atmosphère – stratospheric ozone
L’O3 est détruit par des composés chlorés tels que les chlorofluorocarbones (CFCs)
•  Fluides frigorigènes (climatisation, réfrigération)
•  Ces composés chimiques synthétiques migrent
vers la haute atmosphère
•  L’O3 est détruite lorsque le chlore (Cl) attaque
les molécules d’ O3 molecules:
1. 
2. 
3. 
4. 
5. 
6. 
7. 
8. 
UV radiation strikes CFC molecule#
Cl atom released, attacks O3 molecule#
O2 and ClO are the result#
ClO joins with free oxygen (O)#
O2 and Cl are the result#
O2 cannot stop UV radiation#
Cl attacks another O3 (step 2)#
One Cl can eliminate many O3 molecules#
(Anderson and Strahler, 2009)
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30 L’atmosphère - Trou de la couche d'ozone
• 
Un trou apparent est apparu dans la couche
d’ozone dans les années1980.
• 
Les concentrations de CFC, de HCFC et des
halons ont toutefois diminué depuis 1990 suite
à l’entrée en vigueur du protocole de Montréal
en 1987.
(Anderson and Strahler, 2009)
• 
Les plus hautes concentrations de CFC furent
mesurées en 1997, mais elles ont ensuite
commencé à diminuer par la suite.#
• 
Les molécules de CFC sont très stables et
difficiles à rompre. #
• 
Plusieurs décennies seront nécessaires pour
faire disparaître les CFC. #
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31 L’atmosphère - composition
Aérosols •  Particules liquides ou solides de très faible diamètre.
•  Elles diffusent ou absorbent le rayonnement! Provoquent un refroidissement
du climat à la surface de la Terre
•  Sources: poussières, sels, moteurs à combustion, fumée, cendres volcaniques
(Anderson and Strahler, 2009)
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Séance 2: 17 janvier 2012
32 L’atmosphère - composition
(Ahrends et al., 2012)
Oliver Sonnentag, PhD: GÉO2122 – Climatologie
Séance 2: 17 janvier 2012
33 L’atmosphère - composition
(Ahrends et al., 2012)
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34 L’atmosphère - composition
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(Ahrends et al., 2012)
35 L’atmosphère - composition
Pression d'air à la surface 100,000 mb
1,000 mb
6 mb
CO2 (dioxyde de carbone)
>98%
0.03%
96%
N2 (diazote)
1%
78%
2.5%
Ar (argon)
1%
1%
1.5%
O2 (dioxygène)
0.0%
21%
2.5%
H2O (eau)
0.0%
0.1%
0–0.1%
Venus
Terre
Mars
(http://www.globalchange.umich.edu/globalchange1/current/lectures/Perry_Samson_lectures/evolution_atm/index.html#evolution)
(Ahrends et al., 2012)
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36 L’atmosphère – pourquoi?
Force gravitationnelle
Équilibre hydrostatique
Force gravitationnelle
=
Force de pression
Force de pression
(Anderson and Strahler, 2009)
Oliver Sonnentag, PhD: GÉO2122 – Climatologie
Séance 2: 17 janvier 2012
37 L’atmosphère – Lois des gaz
Gaz :
•  Matière dans un état raréfié ! les gaz sont compressibles.
.
•  Molécules se déplacent librement la plupart du temps, mais de temps en temps, elles
souffrent de courte durée collisions.
•  État macroscopique d'un gaz en équilibre thermodynamique: entièrement déterminé
par la T, p, and V.
Loi de Boyle-Mariotte:
•  pV = constante à T et n fixe
! à T et n fixe, V d'un gaz est inversement proportionnel à P
Loi de Charles (ou loi de Gay-Loussac):
•  V/T = constante à p et n fixe
! à p et n fixe, V d'un gaz est proportionnel à T
Loi d’Avogadro:
•  V/n = constante à P et T fixe
! à p et T fixe, V d'un gaz est proportionnel à n
p=pression (Pa); T=température (K); V=volume (m3); n=quantité de matière (mol) avec n= N/NA; N=nombre d'entités (atomes,
molécules, etc); NA=6.022×1023 mol-1 (Avogadro constante)
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38 L’atmosphère – Loi des gaz parfaits
Gaz parfait:
•  Gaz qui se comportent selon les trois lois suivantes: Boyle-Mariotte, Charles et Avogadro.
•  Gaz qui respectent les hypothèses de la théorie cinétique des gaz moléculaires:
•  Collection de petites particules voyageant en mouvement rectiligne.
•  Les molécules de gaz n'occupent pas de volume.
•  Les collisions entre les molécules sont parfaitement élastiques.
•  Pas de forces attractives ou répulsives entre les molécules.
•  Moyenne de l'énergie cinétique d'une molécule est 3 x kB x T/2
Loi des gaz parfaits:
•  Équation d'état pour un gaz parfait, qui décrit les relations entre T, p, V, et n grâce à la
combinaison des trois lois des gaz (Boyle-Mariotte, Charles, Avogadro).
•  La loi des gaz parfaits prédit que V of a mole of gas for a T and p est indépendante de la
masse moléculaire du gaz.
•  pV = nNAkBT
•  pV = nRT with R = NA x kB
kB= 1.38x10-23 J/K (Boltzmann’s constante); R = 8.31 J/(mol x K) (Universal gas constante)
(Modifiés après http://videolectures.net/mit801f99_lewin_lec33/;
http://www.chm.davidson.edu/vce/kineticmoleculartheory/BasicConcepts.html)
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39 L’atmosphère – Loi des gaz parfaits
Exemple:
•  Quel est le volume occupé par 1,00 mol d'un gaz idéal à température et pression
standard (“standard temperature and pressure”; STP), avec T = 0°C et
p=101.3kPa=1.013 x 105Pa?
•  Loi des gaz parfaits: pV = nRT
V = 8.314 x 273.15/101.3 x 103
V = 2.24 x 10-2m3 = 22.4L
Un certain nombre d'Avogadro de molécules de gaz occupe 22.4L au STP!!!
(http://physics.ucsd.edu/students/courses/summer2009/session2/)
Note importante: modification de la loi des gaz parfaits basés sur la densité et
constantes spécifiques des gaz parfaits (Rs):
http://www.molecularsoft.com/help/Gas_Laws-Ideal_Gas_with_Density.htm
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Séance 2: 17 janvier 2012
40 L’atmosphère - Équilibre hydrostatique
Un simple cylindre ≈ une colonne verticale de l'air
•  Densité de l'air: ρ
•  Section transversale (”cross-sectional area”?): δA
Fs
•  Hauteur: δz
•  Masse: M = ρ x δA x δz
Fi
•  Pression surface inférieure: p
Fg
•  Pression surface supérieure: p + δp
Fg + Fu + Fl = 0
dp
+ gρ = 0
dz
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(supposant qu'il n'ya pas d'accélération verticale!)
(First order differential equation!)
(Modifiés après Frederick, 2012)
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41 L’atmosphère - Équilibre hydrostatique
Problème: Nous ne connaissons pas p (z) puisque nous ne savons pas ρ (z).
dp
+ gρ = 0
dz
p = ρ RsT
dp
p
=−
dz
H
RsT
H=
g
= « scale height »
”Scale height” (= ”échelle de hauteur”): Sur une distance verticale égale à H, la
pression atmosphérique diminue d’un facteur e = 2,718.
Toujours un problème: deux inconnues (p et ρ) sont remplacés par deux inconnues (p et T).
Rs = 287 J/(kg x K) (specific gas constant for dry air)
(Modifiés après Frederick, 2012)
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42 L’atmosphère - Équilibre hydrostatique
Solution: isothermal atmosphere –> good assumption: T is a constant (T=T0)
(Ahrends et al., 2012)
(Ahrends et al., 2012)
La pression de l’air varie selon plusieurs ordres de grandeurs!
Oliver Sonnentag, PhD: GÉO2122 – Climatologie
Séance 2: 17 janvier 2012
43 L’atmosphère – Équilibre hydrostatique
Isothermal atmosphere:
RsT0
H=
g
constante!
! Initial value problem: p = ps (101.3kPa) with z = 0!
€
€
" z%
p(z) = ps exp $ − '
# H&
Diminution de la pression atmosphérique avec la hauteur.
$ z'
ps
ρ(z) =
exp& − ) Diminution de la densité de l'air avec l’hauteur.
% H(
RsT
(Modifiés après Frederick, 2012)
Oliver Sonnentag, PhD: GÉO2122 – Climatologie
Séance 2: 17 janvier 2012
44 L’atmosphère – structure
Structure thermique
•  Température de l'air (Ta) varie
verticalement, horizontalement et
temporellement.
•  MAIS: structure verticale de Ta est
qualitativement assez similaires partout.
•  Assez complexe, ne suit pas une loi simple.
(Ahrends et al., 2012)
Oliver Sonnentag, PhD: GÉO2122 – Climatologie
Séance 2: 17 janvier 2012
45 L’atmosphère - structure
Thermosphère:
•  S’étend de la mésopause jusque vers 500 km d’altitude
•  Température de l'air (Ta) est très élevée (up to 1000K!) et très variable.
•  Rayonnement UV de longueur d'onde très courte est absorbé par l'oxygène (O2).
•  Molécules (O2, CO2) sont dissociées par haute énergie UV ! molécules polyatomiques sont
rares ! faible rayonnement infrarouge (IR ) est perdu ! haute Ta
•  L'air est ténue ! hypothèses d'équilibre thermodynamique (e.g., comme dans les lois de
rayonnement) ne détiennent pas.
•  La limite supérieure se confond dans l'espace interplanétaire.
Mesosphère:
•  A 80-90 km d'altitude en dessous de la
“mesopause” (Ta=constante).
•  Ta augmente avec l'altitude diminue pour atteindre un maximum
à 50 km de hauteur (“stratopause”; Ta=constante).
•  Ta max. liés aux rayonnements UV de longueur d'onde moyenne
absorbés par l'ozone (O3), mais la max. O3 concentration est
beaucoup plus faible.
•  Raison de la O3 (photodissociation): voir plus haut diapositives.
Oliver Sonnentag, PhD: GÉO2122 – Climatologie
Séance 2: 17 janvier 2012
(http://paoc.mit.edu/labweb/)
46 L’atmosphère - structure
Stratosphère:
• 
S’étend de la tropopause à la stratopause à environ 50 km
• 
Couche avec max. O3 concentration (voir diapositives précédentes).
• 
Ta diminue.
• 
Absorbeur primaire pour UV ! shields life at the Earth’s surface from the damaging effects of
UV radiation.
• 
Fortement stratifiée, mal mélangés.
• 
La couche la plus basse de l’atmosphère, sous la tropopause (Ta=constante)
• 
S’étend de 0-16 km (selon la latitude et les saisons).
Aux pôles: 0 à 6-8km
Équateur: 0-18km
• 
Further subdivided into “boundary layer” (0.5-3 km height) and “free
troposphere”
• 
Ta augmente vers la surface de la Terre (“lapse rate”)
• 
Toute la vapeur d’eau y est essentiellement concentrée
• 
Essentiellement réchauffée par les radiations solaires et leurs absorption by
H2O and CO2.
• 
That’s where “weather” happens and where we live!
Air pressure
Troposphère:
(Ahrends et al., 2012)
Oliver Sonnentag, PhD: GÉO2122 – Climatologie
Séance 2: 17 janvier 2012
H 2O
(http://paoc.mit.edu/labweb/)
47 L’atmosphère - structure
Gradient adiabatique («Lapse rate»):
≡ – ∂T/∂z,
> 0 dans la troposphère
•  Ta décroît linéairement avec l’altitude jusqu’à
la tropopause
•  Environ: 6.5 K m-1 (ou: environ 0,65˚C/100m)
•  Due to Earth’s surface warming air above it
•  Varie selon l’altitude, les saisons et la latitude
• 
< 0, “inversion de température”
! important: smog, orages, pluie
verglaçante, etc.
(Ahrends et al., 2012)
(Anderson and Strahler, 2009)
Oliver Sonnentag, PhD: GÉO2122 – Climatologie
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48 L’atmosphère - structure
Autres stratifications
•  Mélanges des différentes composantes
gazeuses de l’atmosphère
•  Hétérosphère:
•  Pas de turbulence et de
mélange
•  Diffusion hétérogène des gaz
•  Homosphère:
•  Bien mélangée
•  Composition chimique
constante
•  Ionisation
Ionosphère: partie de l’atmosphère
formée de particules ionisées via la
photo-ionisation or l’ionisation par impact
(Ahrends et al., 2012)
(Ahrends et al., 2012)
Oliver Sonnentag, PhD: GÉO2122 – Climatologie
Séance 2: 17 janvier 2012
49 Lectures
Lectures obligatoires
•  IPCC, 2007: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of
Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on
Climate Change [Solomon, S., D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B. Averyt,
M. Tignor and H.L. Miller (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United
Kingdom and New York, NY, USA.
! FAQ 3.3
•  http://paoc.mit.edu/labweb/notes/chap3.pdf (pas 3.3.2 Non-isothermal atmosphere)
Lectures complémentaires
•  http://irina.eas.gatech.edu/ATOC3500_Fall1998/Lecture19.pdf
•  http://mtweb.mtsu.edu/nchong/Smog-Atm1.htm
•  http://www.livinglandscapes.bc.ca/thomp-ok/env-changes/atmos/ch3.html
•  http://www.campbellsci.com/weather-climate
Oliver Sonnentag, PhD: GÉO2122 – Climatologie
Séance 2: 17 janvier 2012