Le système Atmosphère Océan. Jean-Philippe Perrillat Bât Géode R3

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1 Le système Atmosphère Océan Jean-Philippe Perrillat Bât Géode R3

2 Le système Atmosphère Océan Objectif : Comprendre comment les circulations atmosphériques et océaniques contrôlent le climat? 1. La circulation atmosphérique 1.1 Structure et composition de l atmosphère 1.2 Comment obtenir une température atmosphérique moyenne de 15 C? 1.3 Quel est le moteur de la circulation atmosphérique? 2. La circulation océanique 2.1 Est-ce que l océan peut devenir plus salé? 2.2 Comment se déplacent les masses d eau? 2.3 Les variations du niveau marin

3 Structure et composition de l atmosphère L eau dans l atmosphère 3 états = gaz, solide, liquide Teneurs variables 0,1% en Sibérie 5% dans les régions maritimes équatoriales CO 2 = 0.04% Ar = 0.9% O 2 = 20.9% traces Composition de l'air sec (troposphère) N 2 = 78.1%

4 Structure et composition de l atmosphère Ionosphère Mésosphère Mésopause ~80 km Troposphère Stratosphère Tropopause Stratopause Atmosphère

5 Structure et composition de l atmosphère Masse atmosphère : 5, kg (un millionième masse terrestre) Environ 1000 km (limite sup. atmosphère) = limite d échappement des gaz -90 C raréfaction des molécules d air -56 C 0 C 9/10 masse atmosphère dans les 18 km 1/2 masse atmosphère dans les 5500 m, T baisse

6 Structure et composition de l atmosphère Mouvements atmosphériques Froid 0 C Chaud Couche stratifiée (non convective) Énergie solaire Stratosphère Chaud 15 C Couche convective Troposphère Rayonnement du sol

7 Comment obtenir une température atmosphérique moyenne de 15 C? Énergie solaire domaine ultraviolet inférieure à 0,3 µm (violet-bleu) 10% domaine visible de 0,3 µm (violet-bleu) à 0,7 µm (rouge) 40% domaine infrarouge au delà de 0,7 µm (rouge) 50% 235 W/m² Ce qui reste pour chauffer la Terre Énergie réfléchie 107 W/m² Albédo = 0.3

8 Comment obtenir une température atmosphérique moyenne de 15 C? Effet de serre et bilan radiatif 265

9 Comment obtenir une température atmosphérique moyenne de 15 C? Effet de serre et bilan radiatif Les gaz de l atmosphère sont transparents au rayonnement solaire et absorbent partiellement le rayonnement infrarouge terrestre Transparence Absorption Sans atmosphère T = -18 C Atmos. transparente au solaire et absorbant tout le rayonnement IR terrestre T = 29 C Atmosphère transparente au solaire et semi-transparente au rayonnement IR terrestre T = 15 C

10 Quel est le moteur de la circulation atmosphérique? Le déséquilibre thermique à la surface du globe Le rayonnement solaire incident (W/m 2 ) est plus élevé aux basses latitudes (tropiques/équateur) qu aux hautes latitudes (pôles)

11 Quel est le moteur de la circulation atmosphérique? Le déséquilibre thermique à la surface du globe = effet de la rotondité de la Terre! Equateur Bordeaux (45 lat N) Oslo (60 lat N) 1 m 2 1,4 m 2 2 m 2

12 Quel est le moteur de la circulation atmosphérique? Le déséquilibre thermique à la surface du globe Equateur Bordeaux (45 lat N) Oslo (60 lat N) 1 m 2 1,4 m 2 2 m 2

13 Quel est le moteur de la circulation atmosphérique? Le déséquilibre thermique à la surface du globe = Transferts latitudinaux de chaleur de l équateur vers les pôles Comment? = circulations atmosphérique et océanique

14 Quel est le moteur de la circulation atmosphérique? Les cellules de convection atmosphérique Hautes pressions Basses pressions Aux basses latitudes, l air chaud et humide s élève : zone de basse pression Aux pôles l air refroidi et plus dense crée une zone de haute pression Système de convection simple avec des vents soufflant des pôles vers l équateur

15 Quel est le moteur de la circulation atmosphérique? L influence de la rotation de la Terre = effet Coriolis Le trajet initial est bien suivi, mais comme la Terre a tourné l objectif n est pas atteint. = Déviation apparente des vents causée par la rotation de la Terre vers la droite dans l hémisphère Nord vers la gauche dans l hémisphère Sud

16 Quel est le moteur de la circulation atmosphérique? L influence de la rotation de la Terre = effet Coriolis Anticyclone (Hautes Pressions) Dépression Cyclone (Basses Pressions)

17 Quel est le moteur de la circulation atmosphérique? L influence de la rotation de la Terre = effet Coriolis

18 Quel est le moteur de la circulation atmosphérique? L influence de la rotation de la Terre = effet Coriolis

19 La circulation atmosphérique: régimes des vents 3 grandes cellules de convection, en fonction de la latitude Cellule de Hadley Cellule de Ferrel Cellule polaire

20 La circulation atmosphérique: régimes des vents = distribution zonale des climats

21 La circulation atmosphérique: régimes des vents Bandes de nuages associées aux perturbations des latitudes tempérées Zone de subsidence sans nuages et déserts Amas de nuages (cumulonimbus) convectifs dans les régions tropicales (15 S - 15 N) Image satellite dans l'infrarouge thermique du 01 juillet 1998, 15h00 = Relation régime des vents - climat

22 La circulation atmosphérique: transfert d énergie Capacité calorifique = énergie nécessaire pour chauffer 1kg de matière de 1 C C p (Air) = 1003,5 J kg -1 K -1 M(Atmosphère) = kg E = C p M T C p (Eau) = 4181 J kg -1 K -1 M(Océan) = 1, kg Il faut 1200 fois plus d énergie pour chauffer de 1 C l océan que l atmosphère Océans = 1200 fois la capacité de stockage de chaleur de l atmosphère

23 2. La circulation océanique Hémisphère continental Hémisphère maritime Surface de la terre : 71% couverte par des océans 97% de l eau disponible sur Terre Répartition des terres et des mers inégale (antipodale) Masses terrestres concentrées dans l'hémisphère nord (Hémisphère nord : 61% de mer, hémisphère sud : 81 % de mer) Profondeur moyenne des océans : 3800 m (pellicule très mince ~1/1700 rayon de la Terre)

24 Est-ce que l océan peut devenir plus salé? Salinité = quantité de sels dissous dans l eau g/kg

25 Est-ce que l océan peut devenir plus salé? Quels sont les sels dissous dans l eau de mer? Principaux sels dissous pour une eau de mer moyenne de salinité 35g/kg Anions (en g/kg) Cations (en g/kg) Chlorure (Cl - ) 18,9799 Sodium (Na + ) 10,5561 Sulfate (SO 4 2- ) 2,6486 Hydrogénocarbon ate (HCO 3- ) Magnésium (Mg 2+ ) 1,2720 0,1397 Calcium (Ca 2+ ) 0,4001 Bromure (Br - ) 0,0646 Potassium (K + ) 0,3800 Fluorure (F - ) 0,0013 Strontium (Sr 2+ ) 0,0135 La concentration totale des sels dissous varie en fonction du lieu Mais la proportion des composants les plus importants reste à peu près constante Prouve un mélange des eaux océaniques

26 Est-ce que l océan peut devenir plus salé? Relation salinité densité des eaux Equilibre entre les sels amenés par les cours d eau et ceux extraits (par ex. évaporites) Température et salinité, paramètres permettant de déterminer la densité

27 Est-ce que l océan peut devenir plus salé? Relation salinité densité des eaux Densité, paramètre fondamental dans la dynamique des océans

28 Comment se déplacent les masses d eau? La topographie des eaux de surface Ordre de grandeur: +/- 1 m Conjugaison de plusieurs facteurs: Vent Salinité Chaleur du soleil Rotation de la Terre Topographie des fonds océaniques Masses continentales Attraction de la lune

29 Comment se déplacent les masses d eau? La circulation océanique de surface Carte des vents Carte des courants de surface Rôle des vents: les vents sont les «moteurs» des eaux de surface (par frottement) L action des vents se fait sentir jusqu à 800 m de profondeur Rôle de la force de Coriolis : Gyres anticycloniques et cycloniques Les courants décrivent de grands mouvements tournants appelés " gyres " Rôle des continents : effet de la topographie, des bordures continentales

30 Comment se déplacent les masses d eau? La circulation océanique de surface CARTOGRAPHIE DES COURANTS MARINS DE SURFACE Cf. TD Rôle des vents : Alizés (courants équatoriaux), vents d ouest (courant circumpolaire) Vitesse moyenne courants de surface : quelques 10 cm/s

31 Mesure de la vitesse du Gulf Stream au large de la Floride: 2,5 m/s

32 Comment se déplacent les masses d eau? La circulation océanique profonde Distribution verticale de température stratification des eaux = l océan est stratifié Couche de surface (ou couche de mélange) : 50 à 200 m (températures ~ celles de surface) Couche thermocline : 200 à 1000 m (température décroît avec la profondeur) Couche profonde : jusqu'au fond, caractérisée par des températures faibles et homogènes

33 Comment se déplacent les masses d eau? La circulation océanique profonde = thermohaline Circulation océanique globale, profonde, liée à la température et à la salinité des masses d'eau Une molécule d'eau fait le circuit entier en environ 1000 ans Vitesse moyenne courants profonds : ~mm/s

34 Les variations du niveau marin

35 Les variations du niveau marin Le niveau moyen des océans a varié au cours des temps géologiques Alternance glaciaire / interglaciaire +/- 100 m

36 Les variations du niveau marin Observations directes des changements climatiques récents dans l hémisphère nord Effet global moyen net des activités humaines depuis 1750 a été le réchauffement, avec un forçage radiatif de +1,6 [de +0,6 à +2,4] W m 2

37 Les variations du niveau marin et demain? 12 dernières années : niveau moyen global de la mer s est élevé de près de 3 mm par an

38 Ce qu il faut retenir Les moteurs des circulations atmosphériques et océaniques Structure et compositions des enveloppes atmosphériques et océaniques La dynamiques des océans (circulations de surface et thermohaline) et de l atmosphère (cellules de convection, systèmes de basse et haute pression, zonation climatique) Les Forces de Coriolis (principes et conséquences) Notions d effet de serre et bilan radiatif Variations du niveau des mers

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