Transmission de l énergie solaire au travers de l atmosphère. Spectres d absorption. Appauvrissement du rayonnement

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1 Transmission de l énergie solaire au travers de l atmosphère Réception du rayonnement solaire à la limite de l atmosphère Processus d appauvrissent du rayonnement solaire par les différentes couches atmosphérique Réactions entre des parties spécifiques du spectre électromagnétique solaire et les divers gaz atmosphériques Concentration des gaz selon l élévation S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 33 S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 34 Appauvrissement du rayonnement 3 processus généraux Selon la longueur d onde et les caractéristiques physiques des gaz et des particules : Spectres d absorption Rayonnement solaire reçu au sommet de l atmosphère Rayonnement émit par la Terre Absorption des rayonnements solaire et terrestre 1) Diffusion ou dispersion par des composantes gazeuses et des particules solides et liquides 2) Absorption par des composantes gazeuses et des particules solides et liquides 3) Réflexion par les nuages (particules et liquides et les aérosols -solides et liquides) Azote Oxygène et Ozone CO 2 Vapeur d eau Tot. Atmosphère S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 35 S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 36 1

2 Spectres d absorption rayonnement terrestre Seule une partie du spectre théorique de la Terre (appelé rayonnement du corps noir, en rouge sur le schéma) est réellement émise vers l'espace. Cette fraction, indiquée en bleu, est appelée la fenêtre atmosphérique. Le reste est absorbé par l atmosphère (essentiellement par l'eau et le dioxyde de carbone). (Image d'après Hamburger Bildungsserver) À ~ 88km d altitude (thermosphère) Les rayons γ et x sont en grande partie éliminés du spectre solaire Les rayons UV sont aussi éliminés en partie Vents solaires rayons cosmiques aussi absorbés L absorption a lieu à l intérieur de la ionosphère (80 à 400 Km) par processus de ionisation Absorption par les atomes et les molécules d oxygène (O, O 2 ) et d azote (N, N 2 ) Chaque atome qui absorbe les rayons γ (gamma), x, UV et vents solaires libère un électron devient un ion de charge électrique positive Propagation de courants électriques rayonnement solaire Rayonnement solaire reçu au sommet de l atmosphère Rayonnement émit par la Terre Azote Oxygène et Ozone CO 2 Vapeur d eau Tot. Atmosphère S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 37 S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 38 La couche d ozone (O 3 ) : ~15 à 50km (stratosphère) La couche d ozone (O 3 ) Permet l absorption d une bonne partie des rayons UV (0.10 à 0.40 µm) empêche les rayons UV dangereux (UVc et UVb) d atteindre la surface Formation d ozone (O 3 ) Destruction d ozone (O 3 ) Rayons UV (0.12 à 0.20 mm) + O 2 O + O O + O 2 O 3 absorption presque complète des rayons 0.12 à 0.20 mm protection contre les rayons UV hasardeux Rayons UV (0.20 à 0.32 µm) + O 3 O 2 + O absorption presque complète de UVc (0.20 à 0.28 mm) absorption partielle de UVb (0.28 à 0.32 mm) Formation et destruction de O 3 processus simultanés Permet l élimination des rayons UV dommageables rayonnement solaire S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 39 rayonnement solaire Les UV-c sont absorbés par l'o2 entre 40km et 60km. De cette photolyse il résulte des radicaux libres d'oxygène moléculaire O. Ils se combinent rapidement à des molécules d'o2 pour former O3. L'Ozone absorbe les UV-b essentiellement au dessus de 20km pour donner un O Le plus souvent cet O se recombine avec O2 pour donner à nouveau O3, il y dégagement de chaleur et chauffage de l'atmosphère. Il existe également la réaction O+O3 O2 +O2 (Ox) S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 40 2

3 Ozone et effet de serre, quel rapport? L ozone (O3) est un gaz rare dont on trouve 90 % des molécules présentes dans l'atmosphère entre 12 et 50 km d'altitude (stratosphère), le reste se trouvant essentiellement en tant que polluant majeur à proximité des villes. Ne pas confondre ozone stratosphérique (couche d ozone, protectrice) et pollution locale à l ozone (troposphérique, agressif). L'ozone stratosphérique forme une couche fondamentale : elle absorbe les rayonnements solaires les plus dangereux, en particulier les UVC et les UVB1. La plus grande partie de l'ozone du monde est produite au-dessus des tropiques et est distribuée aux quatre coins du monde par les vents. Les rayons solaires ainsi que les réactions chimiques naturelles contribuent à sa destruction graduelle, mais il y a habituellement une formation simultanée d'ozone suffisante pour combler les pertes. Le phénomène de la diminution de la couche d ozone a vraisemblablement démarré au milieu des années 70, avec l usage courant des CFC (réfrigérateurs). Les gouvernements ont décidé de mettre fin à la production des CFC dans le cadre du Protocole de Montréal qui est entré en vigueur le 1er janvier Ozone et effet de serre, quel rapport? Les gaz à effet de serre naturels sont par ordre d importance (en quantité): la vapeur d eau, le gaz carbonique, le méthane, les oxydes d azote, l ozone. L ozone de basse altitude renforce l effet de serre : il nous est donc nocif ; il est de plus très agressif (provoque des maladies respiratoires comme l asthme) L effet de serre est indispensable à la vie : sans lui, la température moyenne de la planète serait de 18 C, et toute l eau serait gelée. L ozone de haute altitude nous protège des UV : il nous est bénéfique Les rayons UV arrêtés par la couche d ozone sont très agressifs pour les cellules vivantes. Ils provoquent des cancers, et tuent les coraux. Sans la couche d ozone, la vie ne pourrait supporter l intensité solaire. S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 41 S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 42 Absorption des rayons infra-rouges Abondance de dioxyde de carbone (CO 2 : 0.035) et de vapeur d eau (H 2 O: 0.2 à 1.8%) dans les basses couches atmosphériques (basse stratosphère, troposphère) Spectre d absorption du rayonnement solaire par l atmosphère spectre du rayonnement solaire au sommet de l atmosph atmosphère rayonnement solaire absorbeurs efficaces des rayons infra-rouges (0.7 à 20 µm) rayonnement terrestre spectre du rayonnement solaire au niveau de la mer rayonnement solaire ~ 15% en moyenne 10 à 15% pour un ciel dégagé ~ 30% pour un ciel nuageux S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 43 S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 44 3

4 Pour résumer Distribution du rayonnement solaire au sommet de l atmosphère Décembre Mars Juin Septembre Moyenne globale 342 Wm - 2 [= S0/4] S S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 45 S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 46 Distribution du rayonnement net ondes courtes (solaire - réflexion/albédo) au sommet de l atmosphère - La température terrestre est plus élevée aux tropiques qu aux pôles. Pourquoi? Décembre Mars + - Juin Septembre Moyenne globale 235 Wm -2 [(1-α)S0/4] S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 47 S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 48 4

5 Distribution du rayonnement solaire et de la température à la surface de notre planète Forme et mouvements de la Terre Dépend de la latitude Et des mouvements Mouvements planétaires 2 mouvements fondamentaux La rotation de la Terre autour de l axe des pôles La révolution du barycentre du système Terre-Lune autour du soleil S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 49 S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 50 Révolution L axe de la terre à un moment donné de la révolution est toujours parallèle à sa position à n importe quel autre moment. Responsable des saisons Le plan de l équateur est incliné par rapport au plan de l écliptique S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 51 Mouvements planétaires: révolution Lors d une révolution, l axe des pôles garde toujours la même direction: l axe de rotation de la terre n est pas normal au plan de l écliptique (plan de l orbite) S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 52 5

6 Mouvements planétaires: révolution Révolution-saisons S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 53 S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 54 Rotation de la terre autour de son axe polaire Une rotation complète en 24 heures À un moment donné, une moitié de la terre est face au soleil (jour) et l autre moitié dans l ombre (nuit) Cercle lumineux ligne de démarcation La terre tourne d Ouest en Est autour de l axe des pôles Excentricité de l orbite Une mesure comparative de la distance entre le soleil et la terre à des différents moments de l année Orbite de la terre une ellipse Distance moyenne : 150 x 10 6 Km S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 55 S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 56 6

7 Deuxième loi de Képler L'aire balayée par le segment Soleil Planète entre deux positions C et D est égale à l'aire balayée par ce segment entre deux positions A et B si la durée qui sépare les positions C et D est égale à la durée qui sépare les positions A et B: La vitesse d'une planète devient donc plus grande lorsque la planète se rapproche du soleil. Périhélie Distance terre/soleil la plus rapprochée ( x 10 6 Km) Actuellement le 3 janvier I o > 1382 W m -2 (~ 1,5%) Température globale plus élevée Aphélie Distance terre/soleil la plus éloignée (152.1 x 10 6 Km) Actuellement le 4 juillet I o < 1382 W m -2 (~ 5%) Température globale moins élevée (~ 4 o C) S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 57 S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 58 Excentricité La durée de l hiver boréal est plus courte (terre à la périhélie) que celle de l hiver austral (loi de Kepler) Durant l hiver boréal l hémisphère nord (périhélie) reçoit plus d énergie que n en reçoit l hémisphère sud (aphélie) durant l hiver austral. notre hiver est adouci! plus d'énergie reçue notre été est affaibli! moins d'énergie reçue Mais la température est aussi sensible à la répartition des océans et des continents dans les deux hémisphères (l océan se chauffe et refroidit moins vite que les continents) La sphéricité de la terre La terre et la limite de l atmosphère ont une forme sphérique L angle d incidence des rayons solaires varie selon la latitude (la distance terre/soleil à différentes latitudes a peu d influence) S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 59 S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 60 7

8 Angle d incidence Angle d incidence W W Latitude, où les rayons sont perpendiculaires (près de l équateur), rayonnement plus intense par surface unitaire Latitude ou les rayons sont obliques (moyennes latitudes) rayonnement moins intense par surface unitaire S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ La surface captant le rayonnement est plus petite, l énergie est plus intense par unité de surface (100 Wm -2 ). 2 La surface captant le rayonnement est plus grande, l énergie est moins intense par unité de surface (50 Wm -2 ). 30 S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 62 Angle d incidence L angle d incidence des rayons solaires varie selon : La Latitude φ ( o N et o S) La Déclinaison du soleil (δ) position angulaire du soleil par rapport à l équateur (+23.5 o à 23.5 o ) L heure de la journée (h) lever et coucher du soleil, midi (maximum) S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 63 S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 64 8

9 lie Révolution-saisons Solstices/équinoxes/longueur du jour Solstice d été (hémisphère nord) point subsolaire au tropique de cancer (23.5 o N) 21 juin Solstice d hiver (hémisphère nord) point subsolaire au tropique de capricorne 21 décembre Équinoxes point subsolaire à l équateur, cercle lumineux tangente les pôles S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 65 S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 66 Décembre, solstice solstice d hiver bor Les saisons (suite) hiver boréal, p Distribution du rayonnement solaire incident au sommet de l atmosphère Juin, Juin, solstice solstice d é été boréale, aphélie Equinoxes al, périh rihélie Le rayonnement solaire incident au sommet de l atmosphère est plus important sur les régions polaires car il n y a pas de nuit pendant trois mois. Le rayonnement est plus important pendant l Eté Australe que l Eté Boréale car la terre se trouve plus proche du Soleil (périhélie) Décembre Juin Mars Septembre Moyenne globale 342 Wm - 2 [= S0/4] S S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 67 S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 68 9

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