Chap 2 : dynamique de l'atmosphère et des océans

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1 Chap 2 : dynamique de l'atmosphère et des océans I dynamique de l'atmosphère Principe physique Mouvement dans une atmosphère sans rotation Effet de la rotation Effet des continents Variations saisonnières II dynamique des océans

2 La dynamique des enveloppes terrestre dépend de : des forces qui s'exercent de la manière dont l'énergie est apportée dans le système

3 I- Force s'éxerçant dans un fluide Une particule fluide accélère que si des forces s'éxercent sur elle: FEM Noyau Manteau : FEM et coriolis sont nuls = force électromagnétique : FEM et Coriolis dominent Oceans, atmosphère : Archimède et Coriolis sont les forces les + importantes.

4 Convection dans le manteau Désintégration d'éléments radioactifs + chauffage du noyau + subduction => variation température => poussé d'archimède => convection En revanche les mouvements sont lents => pas de force de coriolis

5 Convection dans le noyau Différence température et de chimie due à la cristallisation du noyau interne => poussée d'archimède => convection vigoureuse La force de coriolis structure l'écoulement en spirale

6 Convection dans l'atmosphère Convection générale phénomène turbulents Ondes (rossby, gravité) Phénomènes transitoires et périodiques (météo, NAO,...)

7 Apport d'énergie du soleil Flux solaire au sommet de l'atmosphère, si on se met perpendiculairement au rayon : 1340 W.m-2 Flux solaire moyen en tenant compte de la sphéricité de la Terre et de l'angle que font les rayons : 340 W.m-2

8 L'apport d'énergie du soleil varie avec la latitude

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10 L'atmosphère étant une couche mince, les mouvements vont se faire préférentiellement horizontalement Vitesse moyenne vertical = 50 m/s Vitesse moyenne horizontale = 50 km/h

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12 Les poles réémettent plus d'énergie qu'il n'en reçoivent. L'équateur reçoit plus d'énergie qu'il en émet. De plus, l'évaporation des océans y est plus importante. => Ceci induit des variation de pression qui engendrent des courants océaniques et atmosphériques qui vont redistribuer l'énergie. Quelle serait la circulation atmosphérique sans tenir compte de la rotation de la Terre?

13 Chap 2 : dynamique de l'atmosphère et des océans I dynamique de l'atmosphère Principe physique Mouvement dans une atmosphère sans rotation Effet de la rotation Effet des continents Variations saisonnières II dynamique des océans

14 Gradient sous-adiabatique

15 Gradient sous-adiabatique Si on 'fait monter' une parcelle d'air => elle va se refroidir selon le gradient adiabatique => elle sera plus dense que son environnement => elle va redescendre à sa position original

16 Gradient sur-adiabatique

17 Gradient sur-adiabatique Si on 'fait monter' une parcelle d'air => elle va se refroidir selon le gradient adiabatique => elle sera plus chaude (moins dense) que son environnement => elle va continuer à monter

18 Circulation atmosphérique dans une planète sans rotation C'est toujours la meme face qui est éclairée => la température est maximale à l'équateur de la face éclairée => température est minimale à l'équateur de la zone à l'ombre

19 Circulation atmosphérique dans une planète avec une rotation lente (Vénus)

20 Chap 2 : dynamique de l'atmosphère et des océans I dynamique de l'atmosphère Principe physique Mouvement dans une atmosphère sans rotation Effet de la rotation Effet des continents Variations saisonnières II dynamique des océans

21 TD2 exercice 2 : force de coriolis

22 Vu depuis le référentiel terrestre un objet se déplaçant vers nord dans l'hémisphère nord sera dévié vers la droite. Un objet se déplaçant vers le sud dans l'hémisphère sud sera dévié vers la gauche. La force de coriolis s'écrit :

23 La force de coriolis est maximale près des poles Minimal près de l'équateur A l'équateur la rotation de la Terre ne nous fait pas tourner sur nous meme. Au pole si.

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25 Force de coriolis : hémisphère Sud Force de Coriolis dévie les masses allant vers le nord vers la droite (W) ALIZES Force de Coriolis dévie les masses allant vers le sud vers la droite (W) CELLULE s arrête à 30 de latitude

26 Force de coriolis : hémisphère Sud Force de Coriolis dévie les masses allant vers le sud vers la gauche (W) CELLULE s arrête à 30 S de latitude ALIZES 30 S Force de Coriolis dévie les masses allant vers le nord vers la gauche (W) EQ

27 TD : exo 3 Ordre de grandeur des forces de pression et de coriolis

28 Equilibre géostrophique Ce type d'écoulement résulte de l'équilibre entre les forces de pression et de Coriolis. Les forces de pression induisent des mouvements perpendiculaires aux isobarres (ie des HP vers les BP). La force de coriolis dévie l'écoulement => celuici se fait alors le long des isobarres. L'atmosphère et le noyau terrestre sont dans un équilibre quasi-geostrophique.

29 Equilibre géostrophique crée des cellules de convections dans l'atmosphère Lorsque les cellules de convection induisent des courants atmosphériques vers les poles, les vents sont déviés vers l'est et inversement (coriolis). => on crée des cellules de convection fermées.

30 La rotation crée 3 cellules de convection et des vents dominant est/ouest polaire Ferrel Hadley

31 Dynamique de l'atmosphère/ III Dynamique de la troposphère/ 2 Terre en rotation/ c Cellules de convection Les cellules de Hadley et les cellules polaire sont causées par les variation de l'apport d'énergie solaire en fonction de la latitude. => Elles sont stable au cours du temps => Climat stable près de l'équateur et des poles. La cellule de Ferrel est une conséquence des cellules de Hadley et polaires. Sa dynamique est plus instable

32 En terme de vent de surface Vents d'est Vents d'ouest Alizés du nord est situation idéalisée Situation réelle

33 La cellule de Hadley en 3D Vent d'est en surface, mais d'ouest au sommet de la troposphère

34 Mouvements verticaux mesurés dans l'atmosphère moyennés sur un an Bleu = air montant Rouge = air descendant On voit bien la cellule de Hadley

35 Influence de la circulation atmosphérique sur la formation des nuages Zone de convergence = précipitation intense, car la vapeur d'eau se condense lors de la montée de l'air => climat humide, foret équatorial Zone de subsidence = zone sèche : air froid en altitude a déjà perdu H20 => climat désertique vers 30 latitude

36 Les cellules de convection influencent la pression Pression donnée à la surface de la Terre (cas théorique ne tenant pas compte du relief, des continents,...) Zones haute pression lorsque les cellules de convection convergent

37 Un cas particulier : le jet-stream Photo prise depuis l'iss montrant des nuages se formant dans le jet stream Le jet stream est un courant d'air rapide de qq centaines de km de large Les vents y circulent à ~300 km/h

38 A la frontière des cellules de convection de l'air chaud rencontre de l'air froid => fort contraste de pression => coriolis crée alors un fort courant est/ouest

39 Chap 2 : dynamique de l'atmosphère et des océans I dynamique de l'atmosphère Principe physique Mouvement dans une atmosphère sans rotation Effet de la rotation Effet des continents et variations saisonnières II dynamique des océans

40 Effet des continents et variations saisonnières

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43 Variations saisonières

44 Variations saisonières On remarque une variation de la position de la zone inter-tropical en fonction de la saison

45 Dynamique de l'atmosphère/iv Variations saisonières/2 ZCIT Juillet/Aout : inclinaison de la Terre => L'apport d'énergie solaire est maximal vers 10 deg de latitude => La ZCIT se déplace dans l'hémisphère nord. Et inversement en janvier => Il y'a un déplacement saisonnier des cellules de Hadley

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49 juillet janvier Janvier : océan plus chaud que le continent => air monte => BP à la surface. L'air plus chaud va vers les poles froids => mouvement sens aiguille d'une montre.

50 Un effet particulier : la mousson Eté : continents très chaud => Air s'élève => P faible en surface => vent provenant des océans amène de l'air très humide => Fortes pluies sur les continents

51 Simulation du transport de la masse d'air polluée par l'accident nucléaire de Tokaimura, le jeudi 30 septembre 1999.

52 Evolution du CO2 dans l'atmosphère : une origine anthropique? Comment expliquez-vous les différences des cycles saisonniers (phase, amplitude) enregistrés aux différentes stations?

53 Amplitude plus forte aux hautes latitudes de l'hémisphère nord. Peu marqué dans les tropiques (2 pics à Samoa). L'hémisphère nord et de l'hémisphère sud sont en opposition de phase baisse du CO2 au printemps et en été, augmentation en automne / hiver.

54 Interprétation et role de la biosphère. Cycle saisonnier dépend des échanges biosphère continentale/atmosphère Due aux différences entre photosynthèse et respiration. Plus marqué dans les moyennes et hautes latitudes qu'aux tropiques. Plus importante dans l'hémisphère nord en raison de l'importance de la surface des continents par rapport au sud!

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57 Bilan : effet de la rotation planète Rotation rapide (Terre) => Force coriolis importante => 3 cellules de convection en fonction de la latitude dans l'atmosphère + noyau externe pouvant générer un CM Rotation lente (Vénus) => Force de coriolis faible => 1 cellule de convection + turbulence aux poles fort contraste entre la face éclairée par le soleil et la face sombre = vent violent (~400 Km/h) Pas de possibilité de générer un CM = pas de vie possible

58 fin

59 Bilan: influence volume d'une planète sur la dynamique interne (rappel) Volume planète plus élevée => rapport volume/surface + important => production de chaleur par éléments radioactif plus important par rapport au refroidissement de la planète => planète refroidit plus lentement => convection plus vigoureuse dans le manteau et le noyau et durant plus longtemps => planète peu générer un champ magnétique plus longtemps (ex Mars a perdu son CM, pas la Terre).

60 Bilan : dévelopement végétation => production d'02 => atmosphère contient du dioxygène et peu de C02 => effet de serre plus faible => couche d'ozone dans la statosphère (protège des U.V et réchauffe la stratosphère)

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64 Force de coriolis et de pression Vent de surface : la friction avec le sol, fait que les masses d'air vont moins vite => coriolis plus faible

65 Au dessus d'un lac l'humidité favorise les précipitations lorsque une masse d'air froid est présente

66 Front d'air froid Characterized by abrupt uplift along the frontal boundary. Cumulus (flat based or anvil-shaped) development. Short duration heavy rain & thunderstorms. Shown as a line of blue, triangles on surface weather maps.

67 Front d'air chaud Characterized by gentle uplift. Stratiform (stratified) cloud cover. The leading clouds, cirrus, are a good indicator of an impending change in the weather. Long duration moderate rainfall. Shown as a line of red, semicircles on surface weather maps

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