Chap1 : structure thermique de l'atmosphère

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1 Chap1 : structure thermique de l'atmosphère I - Température de surface des planètes du système solaire 0 structure générale du S.S 1 comment mesurer la température des planètes du S.S? 2 impact de l'atmosphère sur la température de surface des planètes du S.S II - Profil vertical moyen de l'atmosphère terrestre III - Equilibre radiatif de la Terre

2 Chap1 : structure thermique de l'atmosphère I - Température de surface des planètes du système solaire 0 structure générale du S.S 1 comment mesurer la température des planètes du S.S? 2 impact de l'atmosphère sur la température de surface des planètes du S.S II - Profil vertical moyen de l'atmosphère terrestre III - Equilibre radiatif de la Terre

3 Le système solaire : le nuage d'oort Etoile la plus proche : Alpha centauri situé à 4 a.l ~= UA Nuage d'oort irait de 50 UA à UA (?) Ensemble de comète glacé et peut-etre rocheuse,... Très peu dense (~ 3 MT)

4 Le système solaire : ceinture de Kuipert S'étend de 30 à 55 UA Composé de petits corps fait de glace d'ammoniac, méthane, eau,... Quelques 'mini-planètes' : Pluton, Makemake, Hauméa,...

5 Système solaire Soleil = 99 % masse du S.S 4 planètes telluriques : Mercure, Vénus, Terre, Mars Ceinture d'astéroides 4 planètes gazeuses = 99% masse des planètes (Jupiter seul > 50%!) Pluton n'est plus considéré comme une planète car trop petit (1/5 de la lune)`

6 En terme d'atmosphère Mercure : peu d'atmosphère, mais calotte de glace d'eau sur les poles Venus, Terre, Mars, Titan ont des dynamiques comparables : système climatique, effet de serre, nuages, circulation atmosphérique,... Géantes gazeuses : constituées essentiellement d'hydrogène, d'he. La dynamique de leur atmosphère est radicalement différente.

7 Titan Orbite autour de Saturne Diamètre plus grand que Mercure, proche de celui de Mars (5000 Km contre 6800 Km) Seul satellite à posséder une atmosphère dense. Atmosphère composée majoritairement de N2 comme sur Terre.

8 Influence du soleil et de l'atmosphère sur la température de surface des planètes Comment peut-on connaitre la température du soleil et des planètes du système solaire? Connaissant Ts, quelle serait la température de surface des planètes sans atmosphère? => on en déduira si les atmosphère augmentent ou diminuent la température de surface des planètes.

9 Chap1 : structure thermique de l'atmosphère I - Température de surface des planètes du système solaire 0 structure générale du S.S 1 comment mesurer la température des planètes du S.S? définition de la lumière définition de la température lien entre température et lumière 2 impact de l'atmosphère sur la température de surface des planètes du S.S II - Profil vertical moyen de l'atmosphère terrestre III - Equilibre radiatif de la Terre

10 Comment mesurer la température du soleil? Video ~/cours/

11 Comment mesurer la température du soleil? La lumière émise par un objet dépend de sa température

12 Qu'est-ce que la lumière? La lumière peut-etre vu comme : -une onde éléctromagnétique dont la fréquence définit la couleur Des photons dont l'énergie définit la couleur

13 Spectre étendu

14 Qu'est ce que la température? Mouvement brownien de sphères de latex (20nm) dans de l'eau Dans un fluide au repos les particules suivent des mouvements aléatoires. Température dépend de l'énergie cinétique U=3/2 nkt

15 Mouvement brownien Robert Brown ( ) botaniste Robert Brown observe au microscope en 1827 que des particules de pollen dans un liquide bougent dans tous les sens. Planck expliquera le lien entre mouvement brownien et lumière émise Einstein donnera une explication du mouvement Brownien.

16 Mouvement brownien et énergie cinétique des particules Les particules du fait leur température suivent un mouvement aléatoire. Energie d'une particule est en moyenne

17 Mouvement brownien et distribution des vitesse de Maxwell-Boltzmann La distribution de vitesse des particules dépend donc de la température et de leur masse. Nombre de particules % de molécules d'he ayant une vitesse Distribution de vitesse à température données à une température de 2000 et 273 K ambiante pour différents atomes.

18 Émission de lumière par une particule chargée Au lycée, le champs éléctrique produit par une particule s'écrit En réalité le champs complet s'écrit Pour une charge lointaine seul le 2nd terme est important. Il peut se simplifier en : => une particule oscillant génère une champ electromagnétique = lumière dont la couleur dépend de la fréquence d'oscillation => Ceci se généralise aux atomes

19 Emission lumière et mouvement brownien Plus la température est élevée, plus les particules oscillent rapidement => Plus la lumière émise est haute fréquence (petite longueur d'onde). Elle ne dépend pas de la composition chimique de l'objet étudié

20 Qu'est ce qui fait la couleur d'un objet?

21 La loi de planck Corps noir = objet qui est opaque (noir) et à l'équilibre thermique. Il ne réfléchit pas de lumière, et absorbe toute la lumière incidente. Vitre, mirroir, glace, l'eau sont à l'opposé d'un corps noir. Plus un corps noir est chaud, plus les vibrations des molécules qui le constituent ont une fréquence élevée, plus les longueurs d'onde du rayonnement émis sont courtes (fréquence élevée) => Le rayonnement émis par un corps noir ne dépend que de sa température

22 strategie 1 pour déterminer la température du soleil et des planètes : loi de stéfan En sommant l'énergie émis à chaque longueur d'onde, il vient que l'énergie total émise par unité de surface d'un corps noir et de temps est :

23 Stratégie 2 : loi de Wien Le rayonnement d'un corps noir a une énergie maximum à la longueur d'onde t.q :

24 Résumé : comment déterminer la température du soleil, et des planètes Suppose que l'objet étudié est un corps noir. => Lumière émise par l'objet ne dépend alors que de sa température 1 - Loi de Stéfan : l'énergie total émise sous forme de rayonnement (lumière) dépend de la température 2 Loi de Wien : la longueur d'onde (couleur) dominate de l'objet dépend de la température

25 TDs

26 Corrigé de l'exercice I du TD

27 Corrigé du TD1 : soleil

28 Corrigé du TD : vénus

29 Corrigé du TD : Terre

30 Corrigé du TD : Jupiter

31 Corrigé du TD : Saturne

32 Corrigé du TD : Uranus

33 Corrigé du TD: Pourquoi les planètes ne respectent-elles pas la loi du corps noir? Absorbtion de l'atmosphère, lumière réfléchie, atmosphère pas transparente + rai d'absorbtion (CO2,...) On ne sait pas toujours si on mesure exactement la température de surface, ou de l'atmosphère...

34

35 Corrigé de l'exercice 2 du TD

36 Question 1 : puissance émise par le soleil par unité de surface? Question 2 : puissance totale émise par le soleil?

37 Question 3 : énergie reçue du soleil à une distance D par m2 e par seconde?

38 Question 4 : énergie reçue sur Terre du soleil Question 5 : avec un albédo A :

39 Question 6 : énergie émise par la Terre

40 Question 7 : température théorique sur Terre

41 Question 8 : application numérique Rayon soleil : 0.7e6 km T soleil : 6000 K Albédo planète tellurique : A = 0.07 Albédo Terre : A=0.3 (végétation, océan) Planète Distance soleil (km) Température surface Mercure 58e6 460 K = 181 C Venus 108e6 331K = 58C Terre (A=0.07) 150e6 281K = 8C Terre (A=0.3) 150e6 251K = -21C Terre périhélie (A=0.3) 147e6 253 K =-19 C Terre aphélie (A=0.3) 152e6 249K = -23C Mars 227e6 228K = -44C

42 Température de la surface des planètes calculées et mesurées (par Emmanuel Caroli) avec A=0.07

43 Température de la surface des planètes calculées et mesurées (par Emmanuel Caroli) avec A=0.07 Le calcul théorique prédit bien la température de Mercure, car Mercure n'a pas d'atmosphère Idem pour Mars, Mars ayant une atmosphère mince On sous-estime un peu la température de la Terre : l'effet de serre augment la température de ~35C (avec A=0.3) Vénus à un effet de serre extreme : atmosphère épaisse et contenant essentiellement du C02

44

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