Le rayonnement solaire (1) CO1 Climatologie et hydrologie barbero@cerege.fr
Le programme du semestre TD 1 : Le rayonnement solaire (1) TD 2 : Le rayonnement solaire (2) TD 3 : Le rayonnement tellurique et atmosphérique, l effet de serre TD 4 : Les bilans énergétiques (1) TD 5 : Les bilans énergétiques (2) TD 6 : Cycle de l eau et circulation océanique TD 7 : Les fondements de la circulation atmosphérique : la pression et le géopotentiel TD 8 : Les mouvements verticaux de l atmosphère TD 9 : Les mouvements horizontaux de l atmosphère TD 10 : Les perturbations tempérées TD 11 : La mousson indienne (un exemple de variabilité saisonnière)
Le plan du TD Définition du climat Météo vs Climato Le système climatique Les éléments internes du SC Le rayonnement solaire L intensité du rayonnement Le domaine spectral Interface RS - Terre La constante solaire Le RS au somment de l atmosphère Le RS incident en surface L albédo Le RS absorbé en surface A retenir
Définition du climat o Définition du Larousse = ensemble des éléments qui caractérisent l état moyen de l atmosphère dans une région déterminée o La climatologie est donc un concept abstrait qui procède d une généralisation et d une intégration des conditions du temps. Les données quotidiennes (précipitations, température, pression, géopotentiel, vent, humidité ) sont agrégées dans le temps afin d analyser les tendances sur un espace donnée et à une certaine période de l âge de la Terre o L objectif de la climatologie est de comprendre et de quantifier les transferts d énergie sous l influence des paramètres internes (océan + atmsophère et éventuellement le volcanisme) et externes de la Terre (obliquité de la Terre, paramètres astronomiques, précéssion des équinoxes )
Météorologie vs Climatologie o Météorologie: analyse des conditions atmosphériques sur une échéance de quelques jours. Les principales variables météorologiques étudiées sont: - la température - l humidité - les précipitations - la pression (en surface et en altitude) - le rayonnement - le vent - dans le but de fournir des prévisions à court-moyen terme (la limite de prédictabilité de l atmosphère étant bornée à nos latitudes à environ 10 jours
Météorologie vs Climatologie o La climatologie procède a un diagnostique statistique de ces variables - Moyennes - Fréquences - Extrêmes - Structures spatiales types - Oscillation sur le moyen-long terme o Les prédictions climatologiques ont pour objectif de décrire l état moyen de l atmosphère sur un espace donné de l échelle saisonnière à l échelle séculaire. o Les mécanismes physiques sont bien entendu les mêmes que ceux de la météorologie.
Météorologie vs Climatologie o L agrégation temporelle lisse les variations spatiales de phénomènes localisées dans l espace à l échelle quotidienne o La météorologie représente le temps quasi-instantané que nous percevons (le climat ne se ressent pas directement) o Le climat est donc une abstraction qui peut être perçu par des intégrateurs naturels comme la végétation. La différence météo vs climato réside donc dans la duré. o Climatologie = agrégation d échelles quotidiennes sur environ 30 ans qui nous renseigne sur la fréquence moyenne des combinaisons typiques
Quelques dates 1500s-1700s 1800s 1896 1910s 1950s 1960 1980-90 1998 2009 - invention des thermomètres avec apparition des premiers enrgistrements - premières cartes (structures spatiales climatiques) - Arrenhius (calcul de l élévation de la T moyenne planétaire en réponse à un doublement du CO2) - théorie norvégienne du front polaire (description et explication du temps aux latitudes tempérées) - premiers radio-sondages - satellites - découverte du trou dans la couche d ozone + travaux sur le changement climatique - Protocole de Kyoto - Conférence à Copenhague
Le système climatique Forçages extra-terrestres Forcage solaire Géométrie Terre-Soleil Vent solaire Volcanisme Orographie Climat de la Terre Chimie atmosphérique Filtrage atmosphérique Dérive continentale Échanges énergétiques (OCA) Nature du substrat Forçages atmosphérique, océanique et continental
Les éléments internes Atmosphère = enveloppe gazeuse formant la limite du SC avec le reste de l univers Biosphère = ensemble du monde vivant (incluant l homme) Océan = 97% de l eau terrestre Cryosphère = glace marine (banquise) et terrestre (calotte) Ces éléments aux propriétés physicochimiques différentes sont alimentés en énergie de façon quasi-exclusive par l e r a y o n n e m e n t solaire Continent Biosphère Atmosphère Cryosphère Océan
Le rayonnement solaire o RS = 1er apport de chaleur au sein du système climatique (99,9%), le reste provient de l énergie géothermique o Composition du soleil = 74% d hydrogène et 24% d hélium (l hydrogène est convertie en hélium lors de la fusion thermonucléaire qui est à l origine du rayonnement) o Situé à environ 150 000 000 km de la Terre, il produit 3.86 10^26 W ou j/s soit l équivalent de l explosion de 91.5 10^15 tonnes de TNT o Le rayonnement se caractérise par son intensité et son domaine spectral o L intensité : plus un corps est chaud (> 0 K) plus il émet un rayonnement intense o La T de surface du soleil (5800 K) émet donc des ondes électromagnétique (chaque surface dont la T excède le zéro absolu est capable d émettre un rayonnement)
L intensité du rayonnement o L intensité du RS se définit de la façon suivante: Epsilon = coefficent d émissivité (compris entre 0.9 et 0.99 en fonction de la surface émettrice Sigma = constante de Stefan-Boltzman T = température du corps émetteur (en K) o On obtient donc le RS (en faisant abstraction d epslion) par: et la température du corps émetteur par:
Le domaine spectral (1) o Tout corps dont l agitation moléculaire est > 0 K -> rayonnement électromagnétique (REM) o Le REM (flux de photons) se caractérise par un champ électrique et un champ magnétique qui se déplacent à 300 000 km/s) o Plus un corps est chaud, plus il émet proportionnelement de courtes longueurs d ondes (et inversement)
Le domaine spectral (2) o Selon la loi de Wien, l émissivité rayonnante max se situe à la longueur d onde de : en µm (0.001 mm) o La couleur jaune du soleil est à 570 nm tandis que le max d émission du soleil se situe vers 500 nm (l oeil humain effectue un léger décalage dans le spectre) o Un corps dont la T est de 37.6 C émettra principalement vers 9.3µm (proche infrarouge) o La couleur est donc une mesure directe de l albédo dans le visible
Interface RS - Terre o Que ce passe t il une fois qu un corps a absorbé du RS? - élévation de la température (augmentation de l énergie thermique) - élévation en altitude pour une parcelle d air (augmentation de l énergie potentielle) - évaporation de l eau ou fusion/sublimation de la glace o La confrontation entre le rayonnement solaire et les élements du système climatique s effectue à travers 4 étapes: 1/ le RS intercepté à l extérieur de l atmosphère par un disque de même rayon que la Terre (= constante solaire d environ 1365 W/m^2) 2/ le RS au sommet de l atmosphère terrestre 3/ le RS incident en surface (après filtrage atmosphérique) 4/ le RS absorbé par la surface (mesure de la fraction de RS absorbé par un corps par rapport au rayonnement reçu)
La constante solaire (1) o Conservation de l énergie entre ce qui émit par le soleil et ce qui est intercepté par la Terre : Calcul de l énergie solaire: avec Rs le rayon du soleil en mètre, sigma la constante de Stefan-Boltzman et Ts la T de surface Calcul de la constante solaire: Distance Terre/Soleil (d) = 1.5 10^11 m La constante solaire correspond à ce qui est intercepté par un disque fictif de 6378 km de rayon
La constante solaire (2) Surface du disque = pi r^2 Surface de la sphère 4 pi r^2
La constante solaire (3) o L irradiance solaire fluctue toutefois légèrement à l échelle décennale (entre 1364 et 1368 W/m^2) o Analyse spectrale des taches solaires depuis 1750 jusqu à 2000 montre un pic de fréquence à 11 ans (la variabilité de ce flux ne sera toutefois pas abordé lors de ce TD)
La rayonnement solaire au sommet de l atmosphère o L énergie n est pas absorbé de la même façon à l équateur qu aux pôles (la quantité de RS disponible par unité de surface décroît à mesure que l on se dirige vers les pôles en raison de la géométrie sphérique de la Terre o Gradient pôles équateur avec décroissance latitudinale des valeurs o Zone Inter-Tropicale (ZIT) intercepte 2 fois plus de RS (> 400) que les pôles (< 200) o Explication : absorption latitdinale différencié du RS induite par la rotondité de la Terre; les RS sont de plus en plus inclinés à mesure que l on se rapproche des pôles
Le rayonnement solaire au sommet de l atmosphère o Le RS incident incident peut être estimé jusqu à 45-50 de latitude par RS incident (lat) = cos (lat) RS incident à l équateur o La sphéricité de la Terre contrôle donc l intensité du RS en fonction de la latitude o Cette absorption différencié du RS est à l origine des différences latitudinales de T qui vont à leur tour initier les mouvements atmosphériques RS Basses latitudes Hautes latitudes
Le rayonnement solaire incident en surface o Géographie zonale (+ de 200 W/m^2 dans la ZIT et minimum absolu de 100 W/ m^2 aux pôles o Moyenne de la carte = 210 soit environ 60% des 342 au sommet de l atm. o Minimum relatif à l équateur et aux latitudes sub-polaires des océans o Maximum absolu sur les zones tropicales continentales et minimas des pôles sur les zones océaniques (pourtour arctique et antarctique o Explication : filtrage atmosphérique et couverture nuageuse. Le RS est filtré durant la traversée de l atm. (20% est absorbé et 20% est réfléchit) avec toutes choses égales par ailleurs un filtrage + important aux pôles
L albédo o L albédo est la fraction de RS reçu par un corps et réfléchi sans être absorbé par le corps o Il varie de 0 à 1 et constitue k étape intermédiaire entre le RS incident en surface et le RS aborbé o Les océans ont l albédo le plus faible (< de 15%) et la neige a le pouvoir rélfecteur le plus fort (de 75 à 90%). 20% pour une forêt et environ 40% pour le sable
Le rayonnement solaire absorbé en surface o La moyenne de la carte est de 170 W/m^2 soit environ 50% des 342 W/ m^2 au sommet de l atm. o Le max est maintenant sur les secteurs océaniques tropicaux (SW du Pacifique) et le min relatif équatorial s estompe légèrement par rapport au RS incident en surface et le min absolu est désormais sur les zones polaires o L écart pôles-équateur qui était d un facteur 2 pour le RS au sommet de l atm. est maintenant d un facteur 6 (de 40 à 240) o Explication : illustration du rôle de l albédo. Tous ces facteurs amplifient le déséquilibre énergétique entre Pôles et Equateur instauré au départ par la rotondité
À retenir o Le rayonnement est un phénomène de transfert d énergie via des ondes électromagnétiques o L énergie solaire apporte + de 99.9% de l énergie totale utilisée par le climat o La quantité de RS interceptée à l extérieure de l atm. par le disque planétaire s appelle la constante solaire o L atm. absorbe 20% du RS incident et la surface terrestre les 50% restants o La rotondité est le facteur de zonalité le plus important des températures moyennes o La différence entre RS incident au sommet de l atm. et RS incident en surface réside dans le filtrage atmosphérique ainsi que dans la réflexion de la couverture nuageuse o Le RS absorbé en surface est contrôlé par la nature du substrat o L équateur absorbe 6 fosi plus de RS que les pôles o L excédent énergétique de la ZIT doit combler le déficit des pôles ; c est le fondement dela circulation atmosphérique et océanique à l échelle globale o Cette configuration subit toutefois des variations saisonnières qui seront abordées dans le second TD
Exercices (1) Quel est le facteur principal de la diminution latitudinale du RS incident en haute atmosphère et en surface? Quels peuvent être les facteurs expliquant les différence entre le RS absorbé (en surface) par le bassin amazonien et par le Pacifique équatorial oriental (cf. fig. 5)? Est-ce que la rotondité de la terre joue dans ce cas? Quels facteurs expliquent le minimum de RS absorbé en Antarctique et en Arctique? Classez les facteurs dans l ordre décroissant d importance. Calculez l intensité et le maximum d émission de rayonnement émis par une surface théorique d émissivité maximale (e=1) dont la température est de 20 C, -10 C, 0 C, 10 C, 20 C, 30 C, 40 C? Calculez la constante solaire de Mars, en sachant que sa distance au soleil est de 228 000 000 de km.
Exercices (2) Proportion de RS absorbé en surface par rapport au RS incident (moyenne annuelle)