Préparation Capes Géodynamique externe

Préparation Capes Géodynamique externe Charles Aubourg 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 1

Le programme officiel 2006 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 2

Voici le plan du cours de 3h que nous allons suivre Plan : A Propriétés physico-chimiques des enveloppes externes. A.1 Structure de l atmosphère A.2 Structure de l hydrosphère B Bilan radiatif solaire à la surface de la Terre. C Circulation atmosphériques et océaniques. C.1 Une Terre simple, sans rotation C.2 La Terre C.3 Courant de surface C.4 Courant de profondeur D Le cycle externe de l eau. E Les zonations climatiques 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 3

A Propriétés physico-chimiques des enveloppes externes. A.1 Structure de l atmosphère A.2 Structure de l hydrosphère B Bilan radiatif solaire à la surface de la Terre. C Circulation atmosphériques et océaniques. C.1 Une Terre simple, sans rotation C.2 La Terre C.3 Courant de surface C.4 Courant de profondeur D Le cycle externe de l eau. E Les zonations climatiques 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 4

500 Km Thermosphère Aussi appelé IONOSPHERE. La réflexion des ondes radio a été largement utilisée pour les communications à grande distance. Aurore boréale 80 Km Aucune absorption du rayonnement solaire. Mésosphère Couche d ozone Stratosphère 50 Km La température augmente, car la couche d ozone (O3) intercepte une partie (UV) du rayonnement solaire. Troposhère sol 13 Km La température diminue, car la concentration en gaz à effet de serre diminue 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 5

Composition globale: 9/10 de la masse atmosphérique dans les 16 km; P=1013 hpa; masse 5.10 18 Kg (6 ordres de grandeur de moins que la masse de la Terre 5.10 24 Kg ) Homosphère : composition constante. 78% de N 2, 21% O 2, 1% Ar 373 ppm de CO 2 (1999) ; 1.4 ppm CH 4 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 6

Apparition de l atmosphère moderne Apparition de l oxygène : ~2 Ga (développement des phytobactéries) On note la stabilité du % de l O2, en dépit de multiples fluctuations climatiques. Pour la Science, 1995 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 7

A Propriétés physico-chimiques des enveloppes externes. A.1 Structure de l atmosphère A.2 Structure de l hydrosphère B Bilan radiatif solaire à la surface de la Terre. C Circulation atmosphériques et océaniques. C.1 Une Terre simple, sans rotation C.2 La Terre C.3 Courant de surface C.4 Courant de profondeur D Le cycle externe de l eau. E Les zonations climatiques 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 8

L eau : un composé unique 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 9

Distribution du relief 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 10

troposphère Équilibre avec la troposhère Thermocline La thermocline est un horizon épais de quelques centaines de mètres, et situé à des profondeurs variables. 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 11

A Propriétés physico-chimiques des enveloppes externes. A.1 Structure de l atmosphère A.2 Structure de l hydrosphère B Bilan radiatif solaire à la surface de la Terre. C Circulation atmosphériques et océaniques. C.1 Une Terre simple, sans rotation C.2 La Terre C.3 Courant de surface C.4 Courant de profondeur D Le cycle externe de l eau. E Les zonations climatiques Chaque petite ampoule illustre le W/m2 qu induit le réchauffement climatique actuel (Hansen, 2004, Scientific American) 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 12

Comparons les énergies disponibles à la surface de la Terre: Énergie interne (radioactive) Énergie marée terrestre (Lune) Énergie solaire 4πR 2 πr 2 Lune 6.10-2 W/m 2 5.10-3 W/m 2 340 W/m 2 1368 W/m 2 1 ordre de grandeur 4 à 5 ordres de grandeur de plus! Énergie géothermique (Cergy en ~1975!) Énergie marémotrice (Rance en Bretagne) Énergie solaire et éolienne 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 13

Spectre électromagnétique Absorption par les gaz à effet de serre Absorption par l O 2 et l O 3 (ozone) 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 14

Le rayonnement électromagnétique qui s échappe de l étoile sous forme de photons se répartit en 49 % dans le visible (0,4 à 0,7 μm), 50 % dans l infrarouge (0,7 à 1 000 μm) et 1 % dans l ultraviolet (0,1 à 0,4 μm). 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 15

Constante solaire : 1370 W/m 2. En moyenne au sommet de l atmosphère : 340 W/m 2 Ensoleillement (W/m 2 ) 3 janvier 21 mars 22 juin 4 juillet 23 septembre 21 décembre Paris (49 N) 90 280 482 477 276 88 Constante solaire au moment de la formation de la Terre : -30% de la valeur actuelle. 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 16

Cycle solaire (Cycle de SCHWABE) Variations d intensité : ±0.2% Tous les 11 ans, il y a une inversion du champ magnétique solaire Forte intensité vent solaire. Aurore boréales Depuis 1975 : augmentation globale de l activité du soleil jusqu en ~2040. 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 17

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Contrôle du C14 par l activité solaire 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 19

Effet de serre Le rayonnement solaire s étend de l ultraviolet (2.10-7 m) à l infrarouge (3.10-6 m) : rayonnement d un corps noir à 5000 K N 2, O 2, O 3 absorbent les U.V. et une partie du bleu (ciel bleu!) 340 W/m 2 Infra rouge atmosphère Surface de la Terre? Quelle 160 W/m 2 température devrions nous avoir à la surface de la Terre? Formule de Boltzmann : E=C.S.T 4 Cela donne un T : -18 C!! La température moyenne : 15 C H 2 O, CO 2, CH 4, CFC, N 2 0 : absorbent l IR C est l effet de serre 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 20

Bilan radiatif 340 W/m 2 100 W/m 2 80 W/m 2 stratosphère Tropopause ~10 Km troposphère 80 W/m 2 320 W/m 2 160 W/m 2 400 W/m 2 Albédo+ accumulation de l énergie solaire : recyclage 480 W/m 2 400 W/m 2 80 W/m 2 Cycle de l eau! 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 21

A Propriétés physico-chimiques des enveloppes externes. A.1 Structure de l atmosphère A.2 Structure de l hydrosphère B Bilan radiatif solaire à la surface de la Terre. C Circulation atmosphériques et océaniques. C.1 Une Terre simple, sans rotation C.2 La Terre C.3 Courant de surface C.4 Courant de profondeur D Le cycle externe de l eau. E Les zonations climatiques 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 22

Une Terre simple Hypothèse d Hadley Basse pression Haute pression 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 23

Mais la Terre n est pas simple : Elle tourne (force de Coriolis) Son axe de rotation est oblique par rapport à l écliptique (23 27 ) : saisons et zonation climatique. Pour un corps en mouvement horizontal Pour un corps en mouvement vertical Hémisphère Nord accélération de Coriolis (m/s 2 ) La symétrie est respectée Vent géostrophique = lignes du vent parallèle aux isobares 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 24

Organisation en trois cellules atmosphériques. 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 25

Faire le dessin de Trompette simplifié avec 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 26

Les jets stream Nuages zonaux à ~30 et 60 de latitude 300 Km/h au centre! 60 30 N 30 S 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 27

Mousson Un continent surchauffé crée une brise thermique puissante, laquelle finit par donner des précipitations, en général sur des reliefs. 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 28

A Propriétés physico-chimiques des enveloppes externes. A.1 Structure de l atmosphère A.2 Structure de l hydrosphère B Bilan radiatif solaire à la surface de la Terre. C Circulation atmosphériques et océaniques. C.1 Une Terre simple, sans rotation C.2 La Terre C.3 Courant de surface C.4 Courant de profondeur D Le cycle externe de l eau. E Les zonations climatiques 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 29

Transport d Ekman : tout comme le vent, les courants aussi, sont déviés par la force de Coriolis! L eau, possédant une viscosité, freine les courants de surface. Ce qui importe est la résultante principale! Rotation progressive liée à la déviation de Coriolis Exemple avec les Alizés 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 30

Les courants océaniques de surface simplifiés. Vent d ouest dominant Alizés (trade winds) Noter le courant antarctique qui isole le continent Les courants de surface sont une combinaison des vents et de la force de Coriolis (transport d Ekman) 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 31

Les courants océaniques El Nino observé par Topex El-Nina : Propagation de l onde de Rossby (renforcement des alizés) El-Nino : Propagation de l onde de Kelvin : tous les 2-3 ans (diminution des alizés) 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 32

A Propriétés physico-chimiques des enveloppes externes. A.1 Structure de l atmosphère A.2 Structure de l hydrosphère B Bilan radiatif solaire à la surface de la Terre. C Circulation atmosphériques et océaniques. C.1 Une Terre simple, sans rotation C.2 La Terre C.3 Courant de surface C.4 Courant de profondeur D Le cycle externe de l eau. E Les zonations climatiques 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 33

Les courants océaniques L origine des courants thermo-halins Les eaux lourdes plongent. Elles sont lourdes lorsqu elles sont froides (Arctique et Antarctique) et/ou chargées en sel (Méditerranée). 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 34

Les courants océaniques salinité On note la forte salinité de l Atlantique comparée au Pacifique 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 35

Les courants océaniques Les grands courants océaniques profonds Courant froid : 3-30 m/h temps de résidence 100-1000 ans. Courant chaud : 4-40 m/h temps de résidence 10-100 ans. 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 36

A Propriétés physico-chimiques des enveloppes externes. A.1 Structure de l atmosphère A.2 Structure de l hydrosphère B Bilan radiatif solaire à la surface de la Terre. C Circulation atmosphériques et océaniques. C.1 Une Terre simple, sans rotation C.2 La Terre C.3 Courant de surface C.4 Courant de profondeur D Le cycle externe de l eau. E Les zonations climatiques 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 37

Diagramme de phase de l eau La pente négative indique une baisse de pression et donc de densité lors du passage liquide solide. Dmax=1 à ~4 C; à O C d=0.999 867 Terre Mars 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 38

L eau : Une grande capacité calorifique! Chaleur spécifique = 4.18 J/kg C est la plus élevée des fluides Pour élever la température de l eau de 1 = 4.18 kj Pour élever la température du sable de 5 = 4.18 kj Tension superficielle la plus élevée!! 7.2.10 9 N/m Chaleur latente solide liquide gaz solide 0.33.10 6 J/Kg 2.49.10 6 J/Kg 0.33+2.49.10 6 J/Kg sublimation gaz gaz liquide solide 2.49.10 6 J/Kg 0.33.10 6 J/Kg Prend de l énergie au système (climatisation naturelle ) donne de l énergie au système Par exemple : Orage sur 10 km 2, Épaisseur d eau de 5 cm 5.10 8 kg 10 12 kj (100 kt TNT) 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 39

Quantité d eau : 1.4 10 15 m 3 dont 97% dans les océans Atmosphère terrestre 4.5 Tmr=15 jours advection Atmosphère marine 11 Tmr=9 jours évapotranspiration précipitations évaporation précipitations Continents 41330 Tmr= 385 ans Rivières et fleuves Océans 1320000 Tmr=3041 ans Taille des réservoirs = 10 15 Kg Tmr= temps moyen de résidence = taille du réservoir/flux d entrée (ou de sortie) 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 40

Flux d eau en 10 3 km 3 /an 107 435 398 70 37 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 41

Quelques chiffres : 86% de l eau vient des océans (en particulier tropicaux et équatoriaux) 21% de l eau évaporé retombe sur les terres émergées. ~50% de cette eau s écoule (évapotranspiration du reste) Érosion - altération Transport des ions et des solides 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 42

Réseau hydrographique Bassin versant runoff : rapport du débit du cours d eau sur la surface du bassin versant mm 3 /mm 2 /an = mm/an Variation du runoff de 0 (désert) à 3000 mm/an (montagnes, îles tropicales) 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 43

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Les trente plus grands fleuves drainent la moitié du runoff, l Amazone, à lui seul : 17%!! urface du bassin versant : 6112 10 6 Km 2 ébit : Km 3 /an unoff : ~1000 mm/an 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 45

A Propriétés physico-chimiques des enveloppes externes. A.1 Structure de l atmosphère A.2 Structure de l hydrosphère B Bilan radiatif solaire à la surface de la Terre. C Circulation atmosphériques et océaniques. C.1 Une Terre simple, sans rotation C.2 La Terre C.3 Courant de surface C.4 Courant de profondeur D Le cycle externe de l eau. E Les zonations climatiques 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 46

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Carte de l albédo (d après les données Modis) Zones arctiques mais aussi désertiques (qui reçoivent le plus d ensoleillement) ont un fort pouvoir réfléchissant. 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 48

Les marqueurs climatiques : LES GLACIERS Zones polaires Traces de glaciation. 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 49

Stries glaciaires observées en Afrique. Direction du flux glaciaire 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 50

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Produit de fonte d un iceberg (cycles de Heinrich) lors des grandes débâcles 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 52

Produit de fonte d un iceberg (cycles de Heinrich) lors des grandes débâcles Galets largués (dropstones) Tillites (par ex. Ordovicien de la Vallée de la Laize) 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 53

On arrive à retrouver des traces de glaciation ancienne Remarquer l excellente concordance des directions de flux glaciaire Ici, la glaciation fini-ordovicienne (440 Ma) avec l assemblage du Gondwana. 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 54

Ici, les glaciations dévonienne (350 Ma) et permienne (240 Ma) avec l assemblage du Gondwana. 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 55

Un exercice amusant la côte Est groenlandaise Survol de l inlandsis (Groenland) Jurassique à Jameson Land le long de la cote Est 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 56

On trouve sur la cote quelques glaciers. 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 57

Mais où sont les traces de glaciations? Pas de moraines, pas de stries glaciaires. 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 58

Avec le rebond lithostatique, il y a un soulèvement, et juxtaposition de terrasses Les premières dizaines de mètres (~100 m) étaient autrefois sous l eau, épargnées donc par le passage des glaciers 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 59

Les marqueurs climatiques : les LOESS Zones péri-polaires Les Loess : dépôts éoliens, témoins d un froid sec Les loess affleurent sur près de 10% des continents sous forme de placage de quelques mètres (en Picardie) à quelques centaines de mètres (Chine). On retrouve une corrélation entre l enregistrement climatique continental des loess (donné par la susceptibilité magnétique) et l enregistrement des sédiments océaniques (donné par le delta O18 par exemple). Les loess donnent une information supplémentaire : l intensité (?) et la direction du vent dominant Mais témoins d une grande fragilité! 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 60

Les marqueurs climatiques : les BAUXITES Zones intertropicales La bauxite : intérêt minier puisque principal minerai d aluminium 98% des bauxites (et ses dérivées) sont exploitées entre -30 et +30 de latitude. Reprendre le tableau p.90 Climats anciens. 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 61

Zones intertropicales Les récifs organiques : un marqueur marin des conditions tropicales à équatoriales Distribution actuelle des récifs organiques. On note la distribution autour de l équateur. Distribution des récifs fossiles (principalement crétacés). Pourquoi une distribution > +30 N? Positionnement en latitude des récifs fossiles en utilisant les données paléomagnétiques. 2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 62