UE libre UBO CLIMAT : L'océan en chiffres. Plan du chapitre. Chapitre 5 La circulation océanique. 70 % Surface : LA "PLANETE BLEUE"

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1 UE libre UBO CLIMAT : Passé,, présent, futur Pourquoi s intéresser à l océan dans l étude du climat? Terre := LA PLANETE BLEUE, en fait les océans couvrent 70 % Surface Chapitre 5 La circulation océanique S. Speich - N.Daniault Climat 5_ 1 Capacité calorifique importante (stockage de la chaleur) masse : 300 fois celle de l atmosphère capacité calorifique : x 1200 fois celle de l atmosphère Grande Inertie thermique Cycle du carbone : Stocke Gigatonnes contre seulement 750 pour l atmosphère S. Speich - N.Daniault Climat 5_ Généralités Quelques Chiffres Le cycle de l'eau Plan du chapitre 2 - Composition et structure Océan := fluide liquide = Eau salée Salinité Température Masse volumique 3 - Les circulations océaniques : quels moteurs? Le bilan radiatif des océans Les vents la circulation de surface la circulation thermohaline L'océan en chiffres 70 % Surface : LA "PLANETE BLEUE" Couche très mince : 1/1700 du rayon terrestre (3 à 4km) 300 fois la masse de l'atmosphère = (0.024% de la masse terrestre) Chaleur massique (4000J/kg/K) 4 fois celle de l air S. Speich - N.Daniault Climat 5_ 3 S. Speich N Daniault UBO Climat 5_ 4 1

2 L'océan = grande réserve d eau Mais combien d eau il y a-t-il dans les océans? Comment il y arrive-t-elle? Quelle est la conséquence de ces deux points? Le cycle hydrologique terrestre Évaporation Condensation Transpiration Précipitation Ruissellement Percolation Le cycle hydrologique terrestre Ce cycle se divise en deux parties intimement liées : - une partie atmosphérique qui concerne la circulation de l eau dans l atmosphère, sous forme de vapeur d eau essentiellement, - une partie terrestre qui concerne l écoulement de l eau sur les continents, qu il soit superficiel ou souterrain. Dans la haute atmosphère, des molécules d eau sont constamment décomposées par les rayons ultraviolets solaires et l hydrogène ainsi créé, trop léger pour être retenu par la gravité, s échappe dans l univers. Cependant, il semblerait que ces phénomènes restent suffisamment négligeables pour que globalement la quantité totale d eau dans l hydrosphère reste constante : l analyse des sédiments marins a en particulier révélé que le volume des eaux océaniques avait très peu varié depuis un milliard d années. On peut donc considérer que le cycle de l eau est stationnaire c est à dire que toute perte d eau par l une ou l autre de ses parties, atmosphérique ou terrestre, est compensée par un gain d eau par l autre partie. Eau souterraine S. Speich N Daniault UBO Climat 5_ 5 S. Speich N Daniault UBO Climat 5_ 6 Le cycle hydrologique terrestre Au cours du XXe siècle, la population mondiale est passée de 1,7 milliards d'individus en 1900 à plus de 6 milliards en l'an 2000 (6,7 en 2008). Alors que la population triplait, la consommation en eau de l'humanité était multipliée par plus de six! L'océan = 97% de l'eau disponible sur Terre 90% Ce formidable essor de la consommation en eau est dû non seulement à cette démographie galopante, mais aussi à l augmentation de la demande moyenne en eau par habitant, une conséquence de l accès de plus en plus facilité à l eau potable, et de l'exceptionnel développement industriel et surtout agricole qu a connu le XXe siècle. P < E Retour par fleuves P > E : --> ruissellement (2% sur les 3%) 97% 3 % Ref: S. Speich N Daniault UBO Climat 5_ 7 Exemple : en France, les pluies (0.6 m/an) viennent de 45% de l'océan S. Speich N Daniault UBO Climat 5_ 8 2

3 L'océan = réservoir où l'eau reste le plus longtemps L'océan = réservoir où l'eau reste le plus longtemps Mélange complet de l'océan : plusieurs centaines d'années Mélange complet de la troposphère : quelques mois... --> Les TEMPS DE RÉSIDENCE de l'eau sont DIFFERENTS selon les réservoirs conférence sur le cycle de l eau S. Speich N Daniault UBO Climat 5_ 9 S. Speich N Daniault UBO Climat 5_ 10 L'océan en chiffres Volume des bassins dépend de la géodynamique (ouverture et fermeture des océans) = 1.35 G km 3 Profondeur moyenne de 3800 m (marges passives, dorsales et fosses) Plan du chapitre 1 - Généralités Quelques Chiffres Le cycle de l'eau 2 - Composition et structure Océan := fluide liquide = Eau salée Salinité Température Masse volumique 3 - Les circulations océaniques : quels moteurs? Le bilan radiatif des océans Les vents la circulation de surface la circulation thermohaline S. Speich N Daniault UBO Climat 5_ 11 S. Speich N Daniault UBO Climat 5_ 12 3

4 OCEAN := LIQUIDE := EAU Propriétés de l eau H 2 O La molécule d eau est constituée d 1 atome d Oxygène et 2 d Hydrogène L atome d Oxygène possède 8 électrons dans sa périphérie; L atome d Hydrogène en possède 1: chaque atome met en commun un électron pour former un doublet d électrons liant les deux atomes par une liaison covalente (forte). Ceci donne lieu à la forme de la molécule d eau: un compas ouvert à 104,52 o, dont l axe est occupé par un atome d oxygène, et les pointes par deux atomes d hydrogène. Cette forme particulière de la molécule d eau fait qu elle est polarisé. Lien hydrogène Molécule d eau lien hydrogène Des liaisons peuvent se former entre les molécules d eau car ce sont des molécules polaires et les charges de signes contraires s attirent. Ces liaisons, dues à la polarité, s établissent entre les atomes d hydrogène de certaines molécules d eau et les atomes d oxygène de molécules d eau voisines. On les appelle des "liaisons hydrogène". S. Speich N Daniault UBO Climat 5_ 13 S. Speich N Daniault UBO Climat 5_ 14 OCEAN := LIQUIDE := EAU Propriétés de l eau H 2 O Propriétés s particulières res de l eaul L eau existe sur Terre sous trois formes: Solide, Liquide, et Gazeuse Assemblage des molécules d'eau Structure de la glace Propriétés thermiques importantes Points de congélation et d ébullition élevés Chaleur spécifique élevée ( J kg -1 C -1 )- elle gagne/perd plus de chaleur que n importe quelle autre substance Chaleur latente d'évaporation élevée ( J kg -1 ) Chaleur latente de fusion élevée ( J kg -1 ) Dans la glace, toutes les molécules d'eau sont liées et forment une structure tétraédrique assez lâche. La fusion de la glace entraîne un tassement des molécules. Les différentes propriétés originales de l'eau découlent de la polarisation de la molécule d'eau et de l'existence de la liaison hydrogène. S. Speich N Daniault UBO Climat 5_ 15 S. Speich N Daniault UBO Climat 5_ 16 4

5 Propriétés de l eau pure H 2 O Chaleur spécifique élevée (la + haute de tous les solides et liquides sauf ammoniaque NH 3 ) : Inertie thermique, bon milieu de stockage et de transport Chaleur latente de fusion et d évaporation: Gros effets thermostatiques aux changements de phase ; crucial lors des transferts d énergie entre océan et atmosphère Transparence dans le visible, absorption d infrarouge et ultraviolet: effet de serre Constante diélectrique élevée (sépare bien les ions chargés): facilite l ionisation des substances dissoutes. Peu compressible La densité du liquide (eau) est plus grande que celle du solide (glace): la glace flotte ; océans rivières et lacs gèlent depuis la surface. L eau est un liquide très mobile L eau est un très bon solvant: c est une des causes de la salinité de l eau de mer (les rivières lessivent le continent et conduisent dans l océan de grandes quantités de sels dissous, alors que c est l eau douce qui s évapore à partir de l océan. Masse volumique (g cm -3 ) OCEAN := LIQUIDE := EAU Propriétés de l eau Eau pure Masse volumique de l air = 1,3 kg m -3 (à la surface de la Terre) Masse volumique de l eau = 1000 kg m -3 Masse volumique de l eau = 1000 fois celle de l air au niveau de la mer S. Speich N Daniault UBO Climat 5_ 17 S. Speich N Daniault UBO Climat 5_ 18 DIFFÉRENCES OCÉAN AN-ATMOSPHÈRE DIFFÉRENCES OCÉAN AN-ATMOSPHÈRE Allure de la pression atmosphérique en fonction de l altitude ρ atm = 1.3 kg m -3 << ρ eau = 1000 kg m -3 ρ atm << ρ eau masse atmosphère << masse océan Allure de la pression océanique en fonction de la profondeur p TOTatm = 1000 hpa << p TOTocéan = hpa L océan atteint la valeur de la pression atmosphérique déjà à 10 m de profondeur (P océan à -10m=P tot.atmos = 1 atmosphère = 1000 hpa!) S. Speich N Daniault UBO Climat 5_ 19 conséquences sur le bilan radiatif propriétés s optiques différentes capacités s calorifiques différentes S. Speich N Daniault UBO Climat 5_ 20 5

6 Origine de l'eau océanique = TERRE INTERNE? Pourquoi l eau des océans est elle salée? FORMATION de la TERRE : COLLISION et AGGREGATIONS d'objets ROCHEUX (qq m à 100 km) Transferts des volatils vers l'ext. REALISTE? DEGAZAGE DU MANTEAU VIA VOLCANISME +H 2 O C. Carbonées Il y a 4,55 milliards d années, les planètes se sont formées par accrétion de poussières - La protoplanète est entrée en fusion et la différenciation chimique a pu se produire. Dès que la planète a atteint une taille suffisante pour que sa surface dissipe l énergie par rayonnement thermique, sa température superficielle s est stabilisée puis s est mise à baisser. L eau et les gaz qui migraient depuis l intérieur du globe ont pu s accumuler à sa périphérie et constituer l hydrosphère et l atmosphère primitives (la croûte et le manteau terrestre contiennent encore aujourd hui 20 fois plus d eau liée sous forme d hydroxydes que n en contient l océan actuel). - 80% de l'atmosphère et océans formés en 100 Ma après l'accrétion Pour plus d infos, voir le dossier: - 20% progressivement, durant 4 Ga Pour plus d infos, voir le dossier: S. Speich N Daniault UBO Climat 5_ 21 S. Speich N Daniault UBO Climat 5_ 22 Pourquoi l eau des océans est elle salée? Il est probable que l eau remontant petit à petit à la surface du globe s est vaporisée dans un premier temps et qu ensuite lorsqu une certaine pression atmosphérique (dont la valeur dépend de la température régnante) a été atteinte, l eau s est mise à sourdre sous forme liquide. Les eaux remontant de l intérieur du globe devaient être chargées en espèces dissoutes comme le sont encore de nos jours les fluides géothermaux qui jaillissent dans le fond des océans. Ces eaux, une fois en place, ont pu secondairement dissoudre des éléments solubles tels que sodium, potassium, calcium et magnésium, présents dans la lithosphère primitive et piéger les espèces volatiles dégazant de l intérieur du globe, notamment le soufre et le chlore. Hypothèse: l'océan a constitué dès l'aube des temps géologiques un milieu de composition saline originale. Réunion Pourquoi l eau des océans est elle salée? FLUX ENTRANT : ORIGINE des éléments chimiques dans les océans actuels? Aérosols - "liquides" Aérosols - "solides" Pour plus d infos, voir le dossier: S. Speich N Daniault UBO Climat 5_ 23 S. Speich N Daniault UBO Climat 5_ 24 6

7 Océans := remplis d eau d salé Salinité de l eau l de mer La Salinité de l eau de mer est définie comme la quantité d éléments solides dissous La salinité moyenne de l eau de mer est 35 %o (parties pour mille) ou 35 g de sels dans 1000 g d eau Eau de mer = eau salée Composition de l eau océanique Salinité Contenu en sels minéraux: Anions: Cl - 19,35 g/kg S ,71 g/kg CO 3 H - 0,14 g/kg éléments trace 1000 grammes d eau de mer Évaporation d eau 35 grammes de sel Cations: Na + 10,76 g/kg Mg ++ 1,29 g/kg Ca ++ 0,40 g/kg K + 0,39 g/kg Total 35,0 g/kg S. Speich N Daniault UBO Climat 5_ 25 S. Speich N Daniault UBO Climat 5_ Généralités Quelques Chiffres Le cycle de l'eau Plan du chapitre 2 - Composition et structure Océan := fluide liquide = Eau salée Salinité Température Masse volumique 3 - Les circulations océaniques : quels moteurs? Le bilan radiatif des océans Les vents la circulation de surface la circulation thermohaline Rappel : bilan radiatif terrestre Du fait de la sphéricité de la terre, de l inclinaison de l axe de rotation terrestre et de la rotation terrestre autour du Soleil le rayonnement solaire reçu par les régions tropicales excède celui des plus hautes latitudes S. Speich N Daniault UBO Climat 5_ 27 S. Speich N Daniault UBO Climat 5_ 28 7

8 Les variations de température à la surface de la Terre durant un cycle saisonnier T janvier T juillet - Les océans modèrent le cycle saisonnier Variations de température avec la latitude pour la surface océanique (en haut) et pour la surface terrestre (courbes dans le graphique en bas) = variations de T saisonnière Variations de la température sur les continents beaucoup plus importante que sur l ocl océan. Pourquoi? S. Speich N Daniault UBO Climat 5_ 29 Les océans modèrent le cycle saisonnier climatique parce qu ils absorbent et perdent la chaleur plus lentement que les surfaces continentales (dû à l énorme inertie thermique de l eau) S. Speich N Daniault UBO Climat 5_ 30 Bilan radiatif des océans Bilan radiatif des océans La quantité moyenne de radiation solaire absorbée par l'océan n'est environ que la moitié de celle arrivant au sommet de l atmosphère (168 Wm 2). Ce gain d énergie est équilibré, à l échelle du globe, par : une émission radiative nette (IR) par l'océan de 65 Wm 2, le refroidissement par évaporation (perte de chaleur latente), les pertes par conduction thermique directe (perte de chaleur sensible). Le calcul du flux de chaleur local est basé sur des formules empiriques dépendant de paramètres régulièrement observés sur les bateaux. flux Moyennes W/m2 Variations W/m2 Q I Q B Q S Q L Q I à 200 PRINCIPE Le système océan atmosphère est une énorme machine thermique fonctionnant à l'énergie solaire. La chaleur est redistribuée à la surface de la planète par les mouvements de l'atmosphère (les vents) et des océans (circulation océanique). S. Speich N Daniault UBO Climat 5_ 31 Q I : flux de chaleur par rayonnement solaire Q B : flux de chaleur radiatif de grande longueur d onde Q S : flux de chaleur par conduction (sensible) Q L : flux de chaleur par évaporation / condensation (latente) Q v : flux de chaleur par transport d'eau Q B Q S Q L Q v -50 Faibles à à à +200 S. Speich N Daniault UBO Climat 5_ 32 8

9 Q I Q B Q S Q L Q i Bilan radiatif des océans Chaleur latente Q L > Chaleur sensible Q S et rayonnement infrarouge Q B Q B Circulation générale et zones climatiques d évaporation et précipitations Évaporation Là où l air subside Q S Q L Précipitation Là où l air monte en altitude S. Speich N Daniault UBO Climat 5_ 33 S. Speich N Daniault UBO Climat 5_ 34 Précipitation évaporation Bilan thermique des océans : Flux total de chaleur de l océan vers l atmosphère Le flux total de chaleur de l'océan vers l'atmosphère est la somme de ces diverses contributions : Q =Q B +Q L +Q S Q I La figure ci-après montre le résultat d'un tel calcul pour l océan global (c'est Q qui est représenté). La tendance générale est que l'océan se réchauffe à l'équateur et perd de la chaleur aux hautes latitudes. La redistribution de chaleur se fait par transport d'eau sous forme d'un mouvement convectif (plongée des eaux les plus denses) et le bilan local est équilibré par le flux de chaleur par transport d'eau Q v. S. Speich N Daniault UBO Climat 5_ 35 S. Speich N Daniault UBO Climat 5_ 36 9

10 Température de surface de la mer Salinité de surface de la mer S. Speich N Daniault UBO Climat 5_ 37 S. Speich N Daniault UBO Climat 5_ 38 Relation entre le bilan d eau douce (Évaporation - Précipitation) et la salinité de surface E-P Pourquoi cette relation entre le bilan d eau douce et la salinité de surface? Quand l eau de mer s évapore, la quantité de sel qu elle contient reste dans l océan. L eau qui passe dans l atmosphère par évaporation, est essentiellement de l eau douce. Ceci est vrai pour la congélation d eau de mer: la glace de mer est constituée d eau douce. SSS Gamme des variations de la salinité Bassins océaniques : 33 < S < 37 Plateaux continentaux, mers fermées: 28 < S < 40 S. Speich N Daniault UBO Climat 5_ 39 S. Speich N Daniault UBO Climat 5_ 40 10

11 1 - Généralités Quelques Chiffres Le cycle de l'eau Plan du chapitre 2 - Composition et structure Océan := fluide liquide = Eau salée Salinité Température Masse volumique 3 - Les circulations océaniques : quels moteurs? Le bilan radiatif des océans Les vents la circulation de surface la circulation thermohaline Quelles forces pour mettre l océan en mouvement? -Forces internes forces de pression force de Coriolis -Forces externes gravité -Forces de frottement tension exercée par le vent à la surface dissipation par frottement Accélération = force de pression + Coriolis + frottement + gravité S. Speich N Daniault UBO Climat 5_ 41 S. Speich N Daniault UBO Climat 5_ 42 Force de pression, comme pour l atmosphère et tous les fluides : des hautes vers les basses pressions Force de Coriolis (comme pour les mouvements atmosphériques) Liée à la rotation de la Terre. S exerce perpendiculairement au mouvement et sur la droite (gauche) de celui ci dans l hémisphère nord (sud). Déplacement de la surface océanique = déplacement d eau dans votre baignoire = différence de pression entre la colonne d eau la plus haute (HP) et la plus basse (BP) = établissement d un gradient de pression dirigé des hautes vers les basses pressions (de la colonne d eau la plus haute vers la plus basse) de manière à rétablir une situation d équilibre (ou d énergie minimale). S. Speich N Daniault UBO Climat 5_ 43 Croît de l équateur aux pôles. S. Speich N Daniault UBO Climat 5_ 44 11