Milieux et Habitats. 1. Le rayonnement solaire 2. Les gaz 3. L eau. Mardi 23 septembre 2014 Module Écologie des écosystèmes - T.

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1 Milieux et Habitats 1. Le rayonnement solaire 2. Les gaz 3. L eau Mardi 23 septembre 2014 Module Écologie des écosystèmes - T. Koffel 1

2 La lumière et la biosphère Mardi 23 septembre 2014 Module Écologie des écosystèmes - T. Koffel 2

3 Qu est ce que la lumière? La lumière blanche est composée d une superposition d ondes électromagnétiques monochromatiques. Caractéristiques d une radiation: Science Media Group -Fréquence ν (s -1 ) -Longueur d onde λ (m) -Énergie d un photon E = h ν (J) - Intensité I (puissance rayonnée /nombre de photons) Mardi 23 septembre 2014 Module Écologie des écosystèmes - T. Koffel 3

4 Le rayonnement solaire Composantes chromatiques d un rayonnement : Longueur d onde (λ) 1 mm 700 nm 380 nm Énergie 10 nm Mardi 23 septembre 2014 Module Écologie des écosystèmes - T. Koffel 4

5 Le rayonnement solaire Le spectre du rayonnement solaire : Mardi 23 septembre 2014 Module Écologie des écosystèmes - T. Koffel 5

6 La couleur Mécanisme de vision des couleurs : La couleur d un objet dépend des propriétés : Source Observateur de la source de lumière Rayon incident Réflexion de l objet De l observateur Absorption Objet Pigment La lumière réfléchie renvoie une image à l observateur. Elle correspond à la lumière de la source qui n a pas été absorbée par l objet. Transmission (si non opaque) Mardi 23 septembre 2014 Module Écologie des écosystèmes - T. Koffel 6

7 Couleurs pigmentaires Ipomea purpurea Spinus tristis Castilleja sp. Piranga olivacea Dendrobates leucomelas Caprimulgus europeaus Mardi 23 septembre 2014 Module Écologie des écosystèmes - T. Koffel 7 Wikimedia Commons

8 Couleurs structurelles Principe physique, la diffraction : Faisceau incident Rayons réfléchis Réseau de diffraction Structure des ailes de Morpho rhetenor, R. H. Siddique Mardi 23 septembre 2014 Module Écologie des écosystèmes - T. Koffel 8

9 Couleurs structurelles Pavo cristatus Maratus speciosus Cyanistes caeruleus Mandrillus sphinx Jurgen Otto Chrysolina fastuosa Gary Martin Pollia condensata P. J. Rudall Module Écologie des écosystèmes - T. Koffel Robert Jensen Johann Brüning

10 Absorption par l atmosphère L eau (H 2 O) et le CO 2 absorbent surtout dans le rouge et l infra-rouge. Mardi 23 septembre 2014 Module Écologie des écosystèmes - T. Koffel 10

11 Rayonnement solaire incident 100 W m -2 (30%, réfléchis) Albédo 340 W m -2 Bilan radiatif global (IR + visible + UV) 80 W m -2 (25%, absorbés par l atmosphère) 160 W m -2 (45%) Atteignent le sol -Échauffement -Photosynthèse -Convection -Évaporation La lumière solaire est d autant plus réfléchie que la nébulosité est importante Mardi 23 septembre 2014 Module Écologie des écosystèmes - T. Koffel 11

12 Absorption par l eau L absorption de la lumière par l eau varie avec la longueur d onde : Eau liquide pure Loi de Beer-Lambert : - I Intensité lumineuse - k coefficient d absorption - C concentration en absorbant - L trajet optique L eau absorbe surtout dans le rouge et l infra-rouge. Mardi 23 septembre 2014 Module Écologie des écosystèmes - T. Koffel 12

13 Absorption par l eau Seule la lumière bleue pénètre profondément dans l océan : 1 m 10 m 100 m 1 km Profondeur Mardi 23 septembre 2014 Module Écologie des écosystèmes - T. Koffel 13

14 Absorption par l eau Bilan radiatif dans les océans : % de l énergie reçue I / I 0 (en échelle log) 40 Loi de Beer-Lambert : I Intensité lumineuse - k coefficient d absorption - C concentration en absorbant - L trajet optique Profondeur L (m) (d après Margaleff, 1980) La lumière solaire pénètre d autant moins profondément que l eau est turbide. Mardi 23 septembre 2014 Module Écologie des écosystèmes - T. Koffel 14

15 Absorption par les végétaux Rayonnement solaire et photosynthèse : Chlorophyll a Chlorophyll b Les plantes absorbent le rouge et le bleu. Elle apparaissent donc vertes. Mardi 23 septembre 2014 Module Écologie des écosystèmes - T. Koffel 15

16 Absorption par les végétaux Mardi 23 septembre 2014 Module Écologie des écosystèmes - T. Koffel 16

17 Bilan radiatif dans un écosystème herbacé 100 % albédo 20 % Évapotranspiration Biomasse 70 % Sol 10 % Près de 70 % de la lumière reçue est absorbée par le couvert végétal. Mardi 23 septembre 2014 Module Écologie des écosystèmes - T. Koffel 17

18 Bilan radiatif dans un écosystème forestier Énergie incidente 80 % 40 m 100 % albédo 15 % Évapotranspiration espèces héliophiles 35 % 30 m 12 % 20 m 85 % 8 % 10 m espèces sciaphiles 1 % 0 m Sol < 1 % Presque toute l énergie reçue est absorbée par le couvert forestier. Mardi 23 septembre 2014 Module Écologie des écosystèmes - T. Koffel 18

19 Albédo pour différents écosystèmes Surface Albédo Neige fraîche Désert Eau Sol Champ cultivé Prairie Forêts de feuillus Forêts de conifères Fine art america Mardi 23 septembre 2014 Module Écologie des écosystèmes - T. Koffel 19

20 Absorption par l atmosphère L eau (H 2 O) et le CO 2 absorbent surtout dans le rouge et l infra-rouge. Mardi 23 septembre 2014 Module Écologie des écosystèmes - T. Koffel 20

21 Effet de serre 100 W m -2 Albédo Dans l espace, 340 W m -2 reçus = ( ) W m -2 émis 340 W m W m W m -2 UV, visible L atmosphère chaude réchauffe la Terre IR 80 W m -2 absorbés Atmosphère 360 W m -2 absorbés 160 W m -2 Échauffement 100 W m -2 Convection Évaporation 400 W m -2 Au sol, ( ) W m -2 reçus = ( ) W m -2 émis 340 W m -2 Mardi 23 septembre 2014 Module Écologie des écosystèmes - T. Koffel 21

22 Effet de serre L effet de serre diminue par temps clair et sec L albédo diminue mais les IR réchauffent peu la Terre Mardi 23 septembre 2014 Module Écologie des écosystèmes - T. Koffel 22

23 Effet de serre L effet de serre augmente par temps couvert et humide L albédo augmente mais les IR réchauffent fortement la Terre Mardi 23 septembre 2014 Module Écologie des écosystèmes - T. Koffel 23

24 Effet de serre L effet de serre s effondre avec une couche d aérosol à haute altitude C est l hiver nucléaire, volcanique, d impact Mardi 23 septembre 2014 Module Écologie des écosystèmes - T. Koffel 24

25 Effet de serre Principaux gaz à effet de serre et leurs caractéristiques dans l atmosphère : Gaz Concentration (ppm) PRP à 100 ans Contribut ion (%) Vapeur d eau H 2 O 3000 ns 60 Gaz carbonique CO Méthane CH Oxyde nitreux N 2 O Ozone O Dichlorodifluoromethane CFC D après le Rapport du GIEC 2007 Mardi 23 septembre 2014 Module Écologie des écosystèmes - T. Koffel 25

26 Effet de serre Moyenne mensuelle de la concentration en CO 2 à Mauna Loa (Hawaii) de 1958 à aujourd hui : Mardi 23 septembre 2014 Module Écologie des écosystèmes - T. Koffel 26

27 Effet de serre Mardi 23 septembre 2014 Module Écologie des écosystèmes - T. Koffel 27

28 Albédo pour différents écosystèmes Surface Albédo Neige fraîche Désert Eau Sol Champ cultivé Prairie Forêts de feuillus Forêts de conifères Fine art america Mardi 23 septembre 2014 Module Écologie des écosystèmes - T. Koffel 28

29 Rayonnement UV Les UV sont nocifs pour la plupart des êtres vivants. Ils dégradent les molécules d ADN et sont à l origine de mutations et de cancers. (d après Sweet et al., 2012) Mardi 23 septembre 2014 Module Écologie des écosystèmes - T. Koffel 29

30 Rayonnement UV Spectres d absorption de l ozone et du dioxygène : Le dioxygène absorbe les UV C et se transforme partiellement en ozone. L ozone absorbe les UV B et se transforme partiellement en dioxygène Mardi 23 septembre 2014 Module Écologie des écosystèmes - T. Koffel 30

31 Rayonnement UV Formation de l ozone : UV C O 2 O + O O + O 2 O 3 UV, visible Cycle ozone-dioxygène : UV B O 3 O 2 + O O + O 2 O 3 + IR Destruction de l ozone : UV B O 3 O 2 + O O + O 3 2 O 2 Mardi 23 septembre 2014 Module Écologie des écosystèmes - T. Koffel 31

32 Rayonnement UV Profil de l ozone dans l atmosphère : Les UV C sont complètement détruits par leur réaction avec O 2 dans la stratosphère. C B A Les UV B sont presque complètement détruits par leur réaction avec O 3 dans la stratosphère. Leurs résidus sont à l origine des coups de soleil. Les UV A sont peu ou pas filtrés par l atmosphère. Mardi 23 septembre 2014 Module Écologie des écosystèmes - T. Koffel 32

33 Rayonnement UV Cycles catalytiques de destruction de l ozone : O 3 + Cl O 2 + ClO O + ClO O 2 + Cl O 3 + NO O 2 + NO 2 O + NO 2 O 2 + NO Les atomes de Cl sont relâchés lors de la dégradation par les UV des Chlorofluorocarbures (CFC) atteignant la stratosphère. Mardi 23 septembre 2014 Module Écologie des écosystèmes - T. Koffel 33

34 Rayonnement UV Mardi 23 septembre 2014 Module Écologie des écosystèmes - T. Koffel 34

35 Rayonnement UV Extension du trou dans la couche d ozone : Mardi 23 septembre 2014 Module Écologie des écosystèmes - T. Koffel 35

36 Rayonnement UV Actualité, au 10 septembre 2014 : Mardi 23 septembre 2014 Module Écologie des écosystèmes - T. Koffel 36

37 Mardi 30 septembre 2014 Module Écologie des écosystèmes - T. Koffel 37