Le fondement de la circulation atmosphérique: la pression et le géopotentiel. CO1 Climatologie et hydrologie

Transcription

1 Le fondement de la circulation atmosphérique: la pression et le géopotentiel CO1 Climatologie et hydrologie

2 Le plan du TD Rappel sur le poids et la masse Définition de la pression Température et altitude La mesure de la pression Variations spatio-temporelles de la pression en surface Variations spatio-temporelles de la pression en altitude Les causes des variations de la pression La nature des individus barométriques A retenir Exercices

3 Rappel : Poids et Masse o Masse = inertie d un corps (la masse d un corps est indépendante des conditions thermiques ou barométriques). Elle se mesure en kg o Poids = force qu exerce un corps dans le champ gravitationnel. Le poids dépend donc de la pesanteur (l unité est le Newton) P = M G où P est le poids (en Newton), M la masse en kg et G l accélération de la pesanteur. Si la masse de l atmosphère terrestre se conserve, la pression qu elle exerce sur la surface varie selon des processus thermiques et/ou dynamiques o La pression atmosphérique s exprime habituellement en hectopascals (Newton/m^2)

4 La pression atmosphérique o La pression définit le poids de la colonne d air au-dessus d une surface. La pression moyenne au niveau de la mer est de Pascals (ou hpa) o La pression est une mesure de l énergie potentielle d une parcelle d air o La pression diminue très rapidement au fur et à mesure qu on monte en altitude: - plus on monte, moins on a d air au-dessus - plus on monte, moins la densité de l air est forte. L air est compressible comme tous les gaz et sa densité diminue en fonction de l altitude

5 Température et altitude

6 La masse volumique Pour une colonne d air donnée, la masse volumique de l atmosphère décroît avec l altitude = la pression diminue également ave l altitude 100 hpa sommet de l atmosphère 1 m 1 m 1000 hpa surface terrestre

7 La mesure de la pression o En moyenne, la moitié de la masse atmosphérique se situe endessous de 5.5 km d altitude, ce qui veut dire que la surface moyenne de 500 hpa se situe vers 5.5 km d altitude o Il existe donc 2 façon de mesurer la pression: 1/ soit on mesure le poids variable de l air à une altitude fixe (ce qui est réalisé au niveau de la mer) 2/ soit on mesure l altitude variable d une surface isobare; dans ce cas on mesure l altitude en mètres géopotentiels (1mgp = 0.98m) = mesure de l énergie potentielle

8 Hautes pressions et basses pressions o Différences de pression = mouvement spontané des hautes pressions (HP) vers les basses pressions (BP) = premier facteur déterminant des mouvements de l air dans le sens horizontal o HP et BP s évaluent par rapport à une normale qui représente la valeur si l air était uniformément réparti autour de la terre. - HP = pressions > hpa - BP = pressions < hpa - à 500 hpa: géopotentiel > 5560 mgp = HP - à 500 hpa: géopotentiel < 5560 mpg = BP o Anticyclone: cellule de HP avec des isobares fermés (pression croissante vers le centre) o Dépression: cellule de BP avec des isobares fermés (pression décroissante vers le centre). Un cyclone est une dépression propre au monde tropical

9 Variations de la pression en surface o La pression moyenne en surface a une géographie compliquée en relation avec les nombreux facteurs explicatifs de la pression o Zone de BP autour de l équateur qui se décale de l HS en janvier à l HN en Juillet (décalage plus important au-dessus des continents) = ZCIT (c est une zone d ascendance majeure de l atmosphère) + une ceinture d anticyclones tropicaux qui se décale légèrement en direction de l équateur en hiver hémisphérique = ceinture continue dans l HH + ceinture de BP sub-polaires continue sur l Antarctique et fragmentée dans l HN (dépression des aléoutiennes et dépression d Islande)

10 Variations de la pression en altitude o La géographie est très simple (et ce dès 2-3 km d altitude) o HP tropicales se décalent en direction de l hémisphère d été o BP polaires minimales au-dessus de la zone polaire de l hémisphère d hiver o Gradient de pression concentré aux moyennes latitudes (se renforce durant l hiver) o Même si les pressions moyennes diminuent avec l altitude, cette géographie et ses variations saisonnières se retrouvent à tous les niveaux troposphériques depuis 700 hpa. Entre 700 hpa et la surface, le schéma général est un mélange des deux situations (surface et altitude)

11 Le géopotentiel La masse volumique est liée à la température (comprendre le géopotentiel) colonne d air froid (la masse volumique est plus importante = inversement proportionnel à la température) 1 2 colonne d air chaud la pression est plus forte au point 2 car il y a plus d air au-dessus de 5km d altitude 5 km 0 km

12 Les facteurs régissant la pression o En altitude: le seul facteur régissant la pression est la température moyenne de la colonne d air. Une colonne d air froid entraîne une contraction (qui réchauffe la colonne d air) vers le bas et crée donc des basses pressions alors qu une colonne d air chaud entraîne sa dilatation (qui refroidit la colonne d air) et crée donc des hautes pressions o En surface: deux facteurs importants interviennent; 1/ la température du sol: un sol froid entraîne un refroidissement de l air à son contact et entraîne une augmentation de la densité de l air. Le poids de l air devient plus important car la masse augmente pour un volume donné = HP et inversement pour un sol chaud 2/ le mouvement de l air à proximité du sol: un mouvement subsident favorise les HP et un mouvement ascendant favorise les BP

13 La nature des individus barométriques o Ces facteurs principaux déterminent la nature des individus barométriques en surface: - individus dynamiques: la pression en surface est principalement déterminée par le mouvement vertical de l air à proximité du sol - individus thermiques: la pression en surface est principalement déterminée par la température du sol. Les individus thermiques sont très dépendants de ce qui se passe en surface o La nature barométrique d un individu thermique change avec l altitude (HP en surface souvent associées à des BP en altitude) o Les individus dynamiques sont en général permanents au cous de l année

14 Deux exemples opposés d anticyclones Anticyclone des Açores (1) et celui de Sibérie (2) - (1) = air humide et chaud (25 C) = donc peu dense. L anticyclone ne peut pas s expliquer par l argument thermique. C est donc un individu dynamique; z = 5800m donc c est une HP par rapport à la moyenne de ce niveau (z = 5560 m) = accumulation d air depuis la haute atmosphère et les HP de surface s explique par le mouvement subsident de l air - (2) = air sec et froid (-30 C) = donc très dense. L anticyclone peut être expliqué par les T de surface; à 500 hpa, z = 5200 m = BP par rapport à la moyenne de ce niveau. L anticyclone de Sibérie est un individu barométrique purement thermique. Le mouvement subsident vers le sol est alors plus une conséquences qu une cause

15 À retenir La pression mesure le poids de l atmosphère au-dessus d une surface et s exprime en Pascals. En altitude, l énergie potentielle se mesure par l altitude (en mgp) d un niveau de pression fixe Si l air était réparti uniformément à la surface de la terre, la pression ramené au niveau de la mer serait partout de hpa et il n y aurait pas de mouvement. La température et les mouvements verticaux engendrent des différences de pressions.qui engendrent des mouvements Les différences par rapport aux moyennes permettent de définir les HP et les BP. L air s écoule des HP vers les BP Une cellule de HP (BP) fermée avec des pressions décroissantes (croissantes) depuis le centre se nomme un anticyclone (une dépression) La cause unique des variations de pressions en altitude est la température Les causes des variations de pressions en surface sont la température du sol et le mouvement de l air à proximité du sol. La vapeur d eau contenue dans l air contribue à déterminer faiblement les pressions car elle est moins dense que l air sec

16 Exercices (1) Quelle est la nature de la dépression d Islande? Quelle est la nature de la ZCIT au-dessus de l Afrique saharienne en juillet? Répondez par vrai ou faux - La subsidence verticale au-dessus de la Sibérie élève les températures en surface. - Les hautes pressions en altitude résultent d une colonne d air froid - Une haute pression en surface ne peut pas être accompagnée d une basse pression en altitude - De l air froid en surface participe à la création de hautes pressions en surface

17 Exercices (2) Commentez et expliquez les variations latitudinales de la pression en surface moyennée sur toutes les longitudes au mois de Juillet?