« Méthodes d`analyse en sciences naturelles de l`environnement
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« Méthodes d’analyse en sciences naturelles de l’environnement » PHYSIQUE DE l’ATMOSPHÈRE Climate Change and Climate Impacts C3i Université Université de Genè Genève Enseignant : Sté Stéphane Goyette Cours Filiè Filière A Master en Sciences de l’l’Environnement Sommaire 1) Aspects Physiques (Sté (Stéphane Goyette) Goyette) 2) Aspects Chimiques (Serge Stoll) Stoll) Premiè Première partie 1.1) L’ L’atmosphè atmosphère • origine et évolution de l’l’atmosphè atmosphère • composition et proprié propriétés de l’l’air atmosphé atmosphérique • quantité tat statique de l’l’atmosphè quantités dé décrivant l’é l’état atmosphère : tempé température, pression et densité densité • atmosphè atmosphères plané planétaires • aspects physiques des transferts radiatifs solaires et infrarouges infrarouges • effet de serre 1 Deuxiè Deuxième partie 1.2) La structure verticale de l’ l’atmosphè atmosphère • • • • • profils verticaux de pression, de densité densité et de tempé température caracté caractéristiques de la stratification les diffé différentes sphè sphères thermiques l’équilibre ’équilibre hydrostatique mesures à l’aide de radiosondages vs mesures au sol Troisiè Troisième partie 1.3) L’ L’eau dans l’ l’atmosphè atmosphère • • • • • les diffé différentes phases de l’l’eau la convection et formation des nuages de type cumulus les nuages stratiformes condensation et pré précipitation le Foehn 2 Quatriè Quatrième partie 1.4) La circulation atmosphé atmosphérique • • • • • les diffé différentes échelles spatiospatio-temporelles du mouvement de l’l’air le modè modèle global tricellulaire la circulation aux latitudes moyennes les diffé différents types de circulations locales distributions de la tempé température, de la pression du vent et des pré é cipitations pr • définition de la Mé Météorologie et de la Climatologie Références bibliographiques • Ahrens, C. D. : Meteorology Today : an introduction to • • • • • • • • weather, climate and the environment. West Publ. Publ. Co. Berroir, Berroir, A. : La Mé Météorologie, - Que saissais-je ? HendersonHenderson-Sellers, A., and P. J. Robinson : Contemporary climatology. Longman Scientific & Technical Jancovici, Jancovici, J. – M. : L’avenir climatique – Quel temps feronsferons-nous ? Seuil. Leduc, R, et R., Gervais, 1988 : Connaî Connaître la Météorologie. PUQ. Pagney, Pagney, P., 1989 : La Climatologie, - Que saissais-je ? Pédelaborde, delaborde, P. : Introduction à l'é l'étude scientifique du climat. SEDES Peixoto, Peixoto, J., P., A. H. Oort : Physics of Climate. AIP. Triplet, J. P. et G. Roche : Météorologie gé générale. ENM. 3 L’atmosphère Première partie 1.1) L’ L’atmosphè atmosphère • origine et évolution de l’l’atmosphè atmosphère • composition et proprié propriétés de l’l’air atmosphé atmosphérique • quantité tat statique de l’l’atmosphè quantités dé décrivant l’é l’état atmosphère : tempé température, pression et densité densité • atmosphè atmosphères plané planétaires • aspects physiques des transferts radiatifs solaires et infrarouges • effet de serre 4 Physique de l’Atmosphère But et objectifs • Description et pré prévision de cette composante majeure du systè système climatique • Identification et dé définition des constituants « naturels » et « artificiels » de l’atmosphè atmosphère terrestre • Définition des quantité quation d’é tat quantités de base à l’origine du dé développement de l’é l’équation d’état d’un gaz dit « parfait » • Analyse succincte de l’l’inté intéraction de la matiè matière gazeuse avec le rayonnement électromagné lectromagnétique • Définition de l’l’effet de serre et dé détermination de ses consé conséquences Caracté Caractéristiques des molé molécules Description de l’é tat statique l’état du gaz atmosphé atmosphérique : densité densité (ρ), pression (p (p) et tempé température (T (T ) Comportement de l’l’atmosphè atmosphère en pré présence de la radiation solaire et du rayonnements infrarouge effet de serre Définition, origine et évolution de la composition de l’atmosphère • Enveloppe gazeuse qui entoure la Terre (air (air = mé mélange de gaz atmosphé atmosphérique) • • • • • • – gaz : ensemble d’ d’atomes et de molé molécules trè très faiblement lié liés et quasiquasiindé indépendants ne possé possédant pas de forme propre et tendant à occuper tout le volume disponible Composition initiale : fonction des caracté caractéristiques chimiques et de la tempé température de la galaxie durant la formation du systè système solaire (H, He, CH4, et NH3) Évolution de la composition : fonction de la chimie des gaz qui la composent et des apports de gaz par le volcanisme Composition finale : production de H et O2 par photodissociation de (H2O)vap par les ultraviolets et élimination des gaz plus lé chappent selon la masse et légers qui s’é s’échappent la tempé température de la planè planète Influence marqué marquée de la masse de la Terre, sa distance au Soleil et des interactions de ses composants chimiques depuis plus de 4 milliards milliards d’ d’anné années. De surcroî surcroît, intervention du vent solaire, formé formé de particules ionisé ionisées trè très énergé nergétiques, qui arrache les éléments les plus lé légers par collision Importance du facteur « vie » dans la composition de l’l’atmosphè atmosphère. En produisant des ré réactions chimiques qui n’ n’existaient pas à l’origine, la biosphè biosphère modifie les composants de l’l’atmosphè atmosphère (ex. production d’ d’O2 par les vé végétaux chlorophylliens, le recyclage de cet oxygè oxygène en CO2 par les organismes vivants) Modification de la composition atmosphé atmosphérique par l’l’Homme... 5 Composition et propriétés de l’air atmosphérique • Détermination difficile de l’altitude pré précise du sommet de l’l’atmosphè atmosphère. Lorsqu Lorsqu’’ils ne sont plus retenus par la gravité gravité, les gaz « s’échappent » vers l’l’espace – En principe : si pression 0 alors altitude l’infinie – En pratique : 50% de l’l’atmosphè atmosphère sous les premiers 5500 m et 99 % sous 30 km • Composition atmosphé atmosphérique des premiers 80 km assez homogè homogène : – Azote (N2) 78,09% – Oxygè (O2) 20,95% Oxygène – Argon (Ar) 0,93% – + Né é on (Ne), Hé é lium (He), Hydrogè è ne (H), Xé é non (Xe) N H Hydrog X • Gaz variables : – – – – – Vapeur d’ (H2O)vap d’eau Dioxyde de carbone (CO2) Méthane (CH4) Oxyde nitreux (N2O) nitreux + Ozone (O3), aé aérosols, CFC, ... trè très variable en (r (r , t)! ∼0,038% (en hausse) ∼0,00017 " " ∼0,00003 " " • Stabilité Stabilité de la composition de l’air est assuré assurée par l’équilibre ’équilibre dynamique entre les sources et les puits de ces gaz Exemples – Sources N2 : décomposition de matiè matière végétale et animale – Puits N2 : activité activité bacté bactérienne – Sources O2 : photosynthè photosynthèse, se, décomposition de (H2O)vap en dioxygè dioxygène et dihydrogè dihydrogène par le rayonnements solaire – Puits O2 : décomposition de matiè matières organiques oxydation et respiration – Sources (H2O)vap : évapotranspiration – Puits (H2O)vap : pré précipitations – Sources Ar : Atm - produit par les rayons cosmiques. cosmiques. Sous terre, terre, produit par capture de neutrons du potassiumpotassium-39 ou par émission de particules alpha du calcium – Puits Ar : à venir 6 Le dioxyde de carbone CO2 • Sources et puits naturels – décomposition de la végétation, tation, volcans, volcans, photosynthè photosynthèse, se, dissolution dans les océ océans • Sources anthropiques – consommation de combustibles fossiles : charbon, pétrole, gaz, augmente d’ d’environ 2 ppmv/an ppmv/an Le méthane CH4 • Sources et puits naturels – décomposition des matiè matières organiques animales et végétales en l’l’absence d’ d’O2, se forme aussi dans l’estomac des mammifè mammifères - Le principal puits de CH4 est le radical hydroxyle OH • Sources anthropiques – utilisation des énergies fossiles, fossiles, ruminants, riziè rizières, res, stockage des déchets augmente d’ d’environ 0.5 %/an 7 L’oxyde nitreux N2O • Sources et puits naturels – formation dans le sol par processus chimiques impliquant des bacté bactéries, dé détruit par les ultraviolets • Sources anthropiques – utilisation des énergies fossiles, fossiles, ruminants, riziè rizières, res, stockage des déchets augmente d’environ 0.25 %/an L’ozone O3 • Sources et puits naturels – dans la stratosphè stratosphère (97%) : formation/destruction de O3 naturel par rayons uv essentiel pour la vie • Sources anthropiques – à la surface (troposphè (troposphère) : produit par la ré réaction des hydrocarbures imbrû imbrûlés et des oxydes d’ d’azote des gaz d’échappement ’échappement des vé véhicules avec l’l’oxygè oxygène de l’l’air sous l’influence de la lumiè lumière solaire polluant • Puits anthropiques – destruction de l’ozone stratosphé stratosphérique par les CFC 8 Les CFC (ou chlorofluorocarbures) • Sources et puits naturels – nil • Sources anthropiques – produits industriellement et utilisé utilisés comme propulseur aérosols, rosols, en réfrigé frigération, ration, solvants, solvants, etc... etc... augmente d’ d’environ 4 %/an Quantités décrivant l’état statique de l’atmosphère : densité, pression et température • Maintien de l’l’air prè près de la surface par la gravité gravité qui entasse et comprime les molé molécules – plus il y a d’ d’air auau-dessus d’ d’un niveau donné donné, plus il y a de « compression » • Emploi de la densité densité de l’l’air, noté notée ρ, pour quantifier la masse totale des d’ d’atomes, des molé molécules, etc. etc. dans un volume donné donné d’air (matiè (matière + vide) : ρ = masse de toutes les molécules volume 9 Densité de l’air ou « masse volumique » • Expression en kg / m3 (SI) • Plus de molécules près de la surface densité plus grande : ∼1.2 kg / m3 • La densité 0 lorsque #molécules 0 • Afin que ρ soit défini adéquatement, le volume doit contenir suffisamment de molécules Pression de l’air ou « pression atmosphérique » • Molécules en constant mouvement – ex. ex. au niveau de la mer, chaque molé molécule entre en collision dix milliards de fois avec d’ d’autres molé molécules à chaque seconde • Les molécules exerce une force sur leur environnement • Obtention de la pression de l’air, notée p, comme étant le rapport de la force exercée par unité de surface sur laquelle agit cette force force p = surface 10 Pression de l’air ou « pression atmosphérique » • Loi de Dalton : p = Σ pi ; pi = pression partielles • Expression en Pa ou N / m2 (SI) • Plus de molécules près de la surface force plus grande : ∼100’000 Pa • La pression 0 lorsque #molécules 0 • Action égale de la pression dans toutes les directions • La pression représente donc le poids de la colonne d’air à l’aplomb du lieu où l’on se trouve Température de l’air • Noté Notée • • T, elle dé définit le degré degré d’agitation microscopique des molé molécules d’ d’air, soit l’l’activité activité molé moléculaire Plus les mouvements molé moléculaires sont importants, plus la tempé température est élevé levée En l’l’absence de tout mouvement molé moléculaire, la tempé température atteint thé théoriquement le zé zéro absolu – 0 K, soit -273.15° 273.15°C • Plus de molé molécules prè près de la surface transmission • plus efficace de l’l’agitation : ∼15° 15°C (288 K; SI) La tempé température est dé définie là là où il y a des molé molécules d’air 11 Gaz parfait • Assimilation possible de l’air atmosphérique à un « gaz parfait » • Gaz parfait : modèle thermodynamique macroscopique décrivant le comportement de tous les gaz réels à basse pression • Relation entre pression, volume et température alors indépendante de la nature du gaz p ρ RT = où R est la constante spécifique en J kg-1 K-1 Atmosphères planétaires Planè Planète Distance au soleil (Mkm) Mkm) Mercure Venus Terre Mars Jupiter Saturne Uranus Neptune 58 108 150 228 778 1’ 1’427 2’ 2’869 4’ 4’498 T moyenne de sfc (° (°C) Gaz Accé Accélération Pression principaux gravit. de sfc (terre =1) (kPa (kPa)) 260 «au soleil» soleil» 480 15 -60 -110 -190 -215 -225 0.37 CO2 0.88 N2, O2 1.0 CO2, Ar 0.38 H2, He 2.64 H2, He 1.15 H2, CH4 1.17 H2, CH4 1.18 9000 1000 6 ? ? ? ? 12 Aspects physiques des transferts radiatifs solaires et infrarouges • Rayonnement (radiation) : processus d’é mission, de ré d’émission, réflexion • • et de transmission d’é nergie sous forme d’ d’énergie d’ondes électrolectromagné magnétiques (é-m.) Tout corps (solide, liquide ou gaseux) gaseux) dont T > 0 K émet du rayonnement é-m. La longueur d’ mission λmax est d’onde d’ d’intensité intensité maximale d’é d’émission inversement proportionnelle à la tempé température du corps – TSoleil = 6000 K λmax = 0.48 µm ; TTerre = 288 K λmax = 10 µm • Pour un rayonnement é-m. de longueur d’ d’onde donné donnée, λ, un corps peut ré réflé fléchir (r (rλ), absorber (a (aλ) et/ou transmettre (tr (trλ) ce rayonnement : la somme des fractions ré réflé fléchies, absorbé absorbées et transmises est égal à un, alors : – rλ + aλ + trλ = 1 • Pour un corps en équilibre thermodynamique, thermodynamique, l’absorption d’un rayonnement é-m. λ conduit à l’émission ’émission rayonnement é-m. de même λ , alors aλ = ελ Exemple : transferts radiatifs λ r radiation solaire atmosphè atmosphère tr Échanges convectifs équilibre énergé nergétique ε effet de serre ! ε r surface a d’ d’un rayonnement infrarouge thermique espace a (ελ) ε 13 Spectres d’absorption / transmission Solaire Terrestre Effet de serre naturel et anthropique Infrarouge terrestre (4 < λ < 100 mm) Radiation solaire (0.3 < λ < 4 mm) notions avancé avancées Infrarouge piégé par atm → réchauffement ⟨Tsfc⟩≈ 15ºC+ ∆AT atmosphère +H2O, CO2, CH4,.. + ∆ACO2 14 Gaz responsables de l’effet de N2O serre O3 CH 4 2% 2% 2% (H2O)vap CO2 = 55% = 39% Effet de serre… pourquoi il y a-t-il de la vie sur Terre ? • Vénus 480° 480°C Trop chaud ! Terre Mars 15° 15°C -60° 60°C Parfait ! Trop froid ! • Sans atmosphè atmosphère, mais albé albédo courant… courant… -41° 41°C -18° 18°C -56° 56°C • La diffé différence est donc dans l’l’atmosphè atmosphère (H2O, CO2, etc… etc…) 521° 33° 521°C 33°C 4° 4°C 15 CO2 CFC CH4 N2O Source : IPCC 2001 Source : IPCC 2001 16 Autres formes de l’équation des gaz parfaits • Soit un gaz constitué constitué de N molé molécules dans un volume • Vν=N/V La pression p (au sens moyen du terme) est alors proportionnelle au nombre de molé molécules, proportionnelle à la tempé température T du gaz et inversement proportionnelle au volume du gaz. Alors p = k (ν T) ; où où k est une const de prop. prop. – • Aussi, si N = n Na où n = nombre de moles de gaz et Na le nombre d’ d’Avogadro, nous pouvons alors écrire l’équation tat comme suit : ’équation d’é d’état – p V = n R T ; où où R = Na k est la constante universelle des gaz valant 8.3143 J mol-1 K-1 Forcage radiatif - détails 1 2 3 4 tropopause surface ∆Ts • 1) Le forç forçage radiatif est dé défini comme le dé déséquilibre de flux radiatif net à la tropopause. Le profil non perturbé perturbé de la tempé température est en bleu. ● 2) Augmentation des concentrations de GES. Diminution du flux IR troposph érique en troposphé direction de la stratosphè stratosphère. Le profil de T stratosphé stratosphérique ré réagit. ● 3) La troposphè troposphère ré réagit ensuite suite à la modification des T stratosphé stratosphériques. ● 4) Le forç forçage permet aux tempé températures atmosphé atmosphériques et de surface de s’ s’adapter pour finalement atteindre l’é quilibre (aucun dé l’équilibre déséquilibre des flux à la tropopause); par consé conséquent le changement de tempé température de surface atteint ∆Ts. (Source IPCC) 17
