Chap1 : structure thermique de l'atmosphère

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Lionel David
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1 Chap1 : structure thermique de l'atmosphère I - Température de surface des planètes du système solaire II - Profil vertical moyen de l'atmosphère terrestre III - Equilibre radiatif de la Terre généralités apport d'énergie du soleil (TD) bilan radiatif de la Terre et effet de serre impacte des nuages sur la température (TD)

3 T à la surface du soleil = 6000 K => Soleil émet essentiellement de la lumière visible. T à la surface de la Terre = 300 K => Terre émet dans les IR

4 Comportement possible de l'atmosphère En fonction des longueurs d'onde (couleur) de lumière l'atmsophère peut : Etre transparente Absorber le rayonnement => T augmente Réfléchir les rayonnement => T baisse

5 Principaux facteurs qui vont controler la température Apport d'énergie du soleil L'albédo de l'atmosphère/sol % d'énergie abosrbé par l'atmosphère L'albédo = énergie solaire réfléchie /énergie solaire incidente Albédo = 1 pour une surface réfléchissant 100 % de l'énergie (glace,...) Albédo = 0 pour un corps noir qui abosrbe 100 % de l'énergie

6 GES

7 Les gaz à effet de serre (GES) H2O 55% des GES qq j (troposphère) CO2 39% des GES ans N2O 2% des GES 150 ans CH4 2% des GES 10 ans

8 Chap1 : structure thermique de l'atmosphère I - Température de surface des planètes du système solaire II - Profil vertical moyen de l'atmosphère terrestre III - Equilibre radiatif de la Terre généralités apport d'énergie du soleil (TD) bilan radiatif de la Terre et effet de serre impacte des nuages sur la température (TD)

9 Apport d'énergie du soleil Vu lors du TD1 : le soleil apporte en moyenne 340 W.m-2 au sommet de l'atmosphère

10 TD2

11 Quelle est l'énergie solaire totale reçue par la Terre? 6 Un réacteur nucléaire délivre ~ W La totalité de l'énergie solaire = Puissance fournié par 45 millions de réacteur nucléaires.

12 Consommation d'électricité en France Par habitant 7488 kwh = W Total : 488 Twh = W Combien de réacteurs nucléaires faudrait-il?

13 Quelle surface de panneaux solaire avec un rendement de 10% sans tenir compte de l'albédo Quelle surface de panneaux solaire avec un rendement de 10% avec un albédo de 0.3 Surface des alpes maritimes = 4200 km2

Consommation mondiale d'électricité Total 18453 Twh

14 Consommation mondiale d'électricité Total Twh = 5.1 TW Par habitant = ~850 W (4x moins qu'en France)

15 Consommation d'électricité par habitant en kw/h (selon la banque mondiale) Norvege Canada Suède Quatar USA Corée 8900 Japon 7800 France 7400 Arabie Saoudite 7400 Argentine 2759 Chine 2631 Roumanie 2200 Inde 597 Bolivie 558 Cote d'ivoire 203

17 Chap1 : structure thermique de l'atmosphère I - Température de surface des planètes du système solaire II - Profil vertical moyen de l'atmosphère terrestre III - Equilibre radiatif de la Terre généralités apport d'énergie du soleil (TD) bilan radiatif de la Terre et effet de serre impacte des nuages sur la température (TD)

18 III-1 mécanisme de l'effet de serre

19 II Effet de serre/ 1 principe Effet de serre simplifié Quantité émise par le soleil 10 0/8 10 0/4 Rayonnement en λ visible Rayonnement en λ IR / /8 10 0/4 10 0/2 SOL 0/8 10 0/4 10 0/ /2 100 Etc Absorption - réchauffement, émission IR On suppose que l'atmosphère infiniment mince : le rayonnement absorbé puis réemis par l'atmosphère part soit dans l'espace ou le sol mais n'est pas réabsorbé par l'atmosphère L'atmosphère 100% transparente aux rayonnements visibles et 100 % opaque aux IR. Sol absorbe 100% l'énergie du soleil (corps noir) et le réémet (équilibre)

II Effet de serre/ 1 principe Effet de serre simplifié Quantité émise par le soleil Au niveau du sol : 100 100 100 SOL

20 II Effet de serre/ 1 principe Effet de serre simplifié Quantité émise par le soleil Au niveau du sol : SOL Sans serre et à l'équilibre, il en arrive 100 et en repart Avec serre, à l'équilibre, il en arrive et en repart 200

21 Bilan radiatif de l'atmosphère Dynamique de l'atmosphère/ II Bilan radiatif /1 Bilan global (hors effet de serre suppose que les nuages n'émettent que vers le haut) rouge : la surface de la Terre a une température d'~300k => elle émet essentiellement de la lumière IR : 21 jaune : la température de surface du soleil est de ~6000K => Le soleil émet de la lumière entre les proches IR et les Uvs

22 Dynamique de l'atmosphère/ II Bilan radiatif /1 Bilan global Bilan radiatif de l'atmosphère 30% de la lumière émise par le soleil est réfléchie. Elle repart dans l'espace 51% est absorbée par la surface, 19% est absorbé dans l'atmosphère. Dans la mésosphère, l'oxygène absorbe les rayonnement les + énergétique. Dans la stratosphère l'ozone absorbe les UV. Dans la troposhère la vapeur d'eau capte les proches IR.

23 Dynamique de l'atmosphère/ II Bilan radiatif /1 Bilan global Absorbtion de la lumière émise par le soleil par l'atmosphère Mésosphère : l'oxygène absorbe les rayonnements les + énergétique (UV lointain) Stratosphère : l'ozone absorbe les UV Troposphère : la vapeur d'eau, nuages, absorbent les IR.

24 Dynamique de l'atmosphère/ II Bilan radiatif /1 Bilan global Diffusion de la lumière émise par le soleil Les particules fines de l'atmosphère diffusent les rayonnements (bleu) dans toutes les directions. Une partie part vers l'espace, l'autre vers le sol. Ainsi le ciel est bleu. Troposphère : gouttelettes d'eau des nuages diffusent la lumière sur une large plage de longueur d'onde => nuages sont gris

25 Dynamique de l'atmosphère/ II Bilan radiatif /1 Bilan global Emission d'ir par la Terre La surface de la Terre étant de 300 K elle émet dans les IR Flux de chaleur sensible : chaleur transmise par conduction vers la troposhère Chaleur latente : évaporation des océan puis la condensation des nuages revient à transférer de l'énergie du sol vers la troposhère

26 La Terre reçoit 100 et revoie : =100 L'atmosphère absorbe =64 et réémet 38+26= 64

27 En ajoutant l'effet de serre (simplifié) Le sol reçoit et réemet 51+64=115

28 Bilan complet mesuré

29 Chap1 : structure thermique de l'atmosphère I - Température de surface des planètes du système solaire II - Profil vertical moyen de l'atmosphère terrestre III - Equilibre radiatif de la Terre généralités apport d'énergie du soleil (TD) bilan radiatif de la Terre et effet de serre impacte des nuages sur la température (TD)

30 Role des nuages sur l'effet de serre et l'albédo

31 Dynamique de l'atmosphère/ II Bilan radiatif /2 Influence des nuages /a Généralités L'eau dans l'atmosphère L'essentiel de l'eau se trouve dans les nuages sous forme de vapeur, liquide ou de glace La présence d'eau diminue la densité de l'air => l'eau influence la dynamique de l'atmosphère

32 Dynamique de l'atmosphère/ II Bilan radiatif /2 Influence des nuages /a Généralités Répartition du type de nuages en fonction de l'altitude MAXIMUM = 8-18 km Stratosphère Troposphère

33 Dynamique de l'atmosphère/ II Bilan radiatif /2 Influence des nuages /a Généralités CUMULONIMBUS ALTOSTRATUS CUMULUS CIRRUS

34 Nuage = eau solide/liquide Lorsque l'eau contenue dans l'atmosphère se refroidit elle forme des goutelettes qui vont s'agglomérer pour former un nuage => les nuages sont consitués de goutelettes d'eau liquide ou solide Les nuages ont deux effets contraires sur la température : => Ils ont un fort albédo => L'eau est un gaz à effet de serre

35 Concentration moyenne d'h20 dans l'atmosphère moyennée sur 4 ans

36 Concentration moyenne d'h20 dans l'atmosphère moyennée sur 4 ans L'atmosphère contient plus d'h20 dans les zones chaudes => plus d'évaporation

37 Forçage radiatif en hiver dans les courtes longueur d'onde du au nuage Au dessus des surfaces de faible albédo t.q l'eau et des forets, les nuages augmentent sensiblement l'albédo => plus d'énergie solaire réfléchie => moins d'énergie absorbé => contribue à refroidir la Terre = forçage radiatif négatif

38 Forçage radiatif en hiver dans les courtes longueur d'onde du au nuage Au dessus des surfaces d'albédo élevé t.q la glace ou les déserts les nuages ont moins d'impact => Il est difficile d'augmenter l'albédo d'une surface qui a déjà un albédo proche de 1!

39 Bilan de l'influence des nuages sur le bilan radiatif de la Terre

Bilan de l'influence des nuages sur le bilan radiatif de la Terre Au dessus des surfaces de fortes albédo, désert + poles : effet de serre domine sur l'albédo, et les nuages réchauffent l'atmosphère.

40 Bilan de l'influence des nuages sur le bilan radiatif de la Terre Au dessus des surfaces de fortes albédo, désert + poles : effet de serre domine sur l'albédo, et les nuages réchauffent l'atmosphère. Au dessus des océans au hautes latitudes : nuages bas contribuant moins à l'effet de serre + forte augmentation de l'albédo => fort refroidissement de la Terre. Au dessus des tropiques : nuages de cirrus dans les hautes altitudes fort effet de serre et augmentation de l'albédo=> forçage radiatif proche de 0 => CCL : nuages refroidissent la Terre!

41 Nuages de faibles altitude t.q les stratus, cumulus: faible effet de serre, mais albédo élevé (car + chaud). Cirrus hautes altitude : modifie peu l'albédo, fort effet de serre (car + froid) Nuages de fortes extensions verticales : bilans nuls Quel serait l'impacte du réchauffement climatique sur la répartition des nuages??

42 Bilan du III équilibre radiatif de la Terre Effet de serre due à certains éléments qui sont transparents à la lumière visible mais absorbent les IR Bilan radiatif de la Terre Nuages ont tendance à refroidir la Terre

43 Bilan du chapitre I : structure thermique de l'atmosphère Mesure et calcul de la température des planètes du système solaire Structure 1D de l'atmosphère (composition chimique, gradient adiabatique, formation de l'ozone,...) Mécanisme de l'effet de serre, bilan radiatif de la Terre, role des nuages

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