Cours8 : Dynamique de l'atmosphère et de l'océan

Cours de L1 Géosciences 1
Le Climat
Océan atmosphère

1. Le climat Partie 1 : Atmosphère et Océans

2. Composition de l'air sec (troposphère) N2 = 78.1% O2 = 20.9% Ar = 0.9% CO2 = 0.04% traces 1. La circulation atmosphérique Structure et composition de l ’ atmosphère L ’ eau dans l ’ atmosphère 3 états (gaz, solide, liquide) Teneurs variables 0,1% en Sibérie 5% dans les régions maritimes équatoriales

3. Troposphère Stratosphère Mésosphère Tropopause Stratopause Mésopause Photographie prise le 07/20/75, durant la mission US-URSS Apollo, à une altitude de 230 km @Nasa 1. La circulation atmosphérique Structure et composition de l ’ atmosphère Ionosphère Atmosphère ~80 km

4. Vues prises depuis la Navette Spatiale (NASA), orbite base (400 km.). Couché de Soleil, 8/11/91, Atlantis. Vénus. Depuis l ’ espace : la couleur rouge de la troposphère = absorption des courtes longueurs d'onde par la vapeur d'eau. Dans la stratosphère le dégradé du blanc vers le bleu est lié à la variation de la pression. Des nuages orageux avec leurs cirrus s'étalent contre la tropopause, qui apparaît en gris-vert. Les aérosols du Pinatubo, à la base de stratosphère apparaissent dans la couche noire. 1. La circulation atmosphérique

5. T° baisse T° augmente T° baisse T° augmente Raréfaction des molécules d'air 9/10 masse atmosphère dans les 18 km -56°C -5°C 0°C -90°C http://www-geoazur.unice.fr/SCTERRE/cours_en_ligne/index.html 1. La circulation atmosphérique Altitude (km) Structure et composition de l ’ atmosphère 1/2 masse atmosphère dans les 5500 m, Masse atmosphère : 5,13.10 18 kg (un millionième masse terrestre) (au delà les molécules peuvent s ’ échapper vers l ’ espace sans que les chocs avec les autres molécules ne les renvoient dans l ’ atmosphère) Environ 1000 km (limite sup. atmosphère)

6. Le suffixe nimbus (nimbo-) désigne les nuages produisant des précipitations. Les limites entre étages varient entre les régions équatoriale et polaire. 1. La circulation atmosphérique

7. Les cirrus, cirrocumulus et cirrostratus : - localisés entre 5 et 13 km d'altitude sous nos latitudes ; - constitués de cristaux de glace. - marqueurs de la tropopause. Cirrus Cirrocumulus Cirrostratus Cirrus 1. La circulation atmosphérique

8. Les altocumulus et altostratus : 2 à 7 km d'altitude. Ils sont constitués essentiellement de gouttelettes d'eau.   Altocumulus Altostratus 1. La circulation atmosphérique

9. Les stratocumulus et les stratus : entre le sol et 2 km d'altitude. Stratocumulus Stratus 1. La circulation atmosphérique

10. Les nimbostratus, cumulus et cumulonimbus : nuages à développement vertical qui peuvent occuper plusieurs étages en même temps. Nimbostratus Cumulus Cumulonimbus 1. La circulation atmosphérique

11. Les cirrus sont souvent issus du sommet de ces tours convectives qui plafonnent à la tropopause. Cumulonimbus. Des nuages orageux avec leurs cirrus, dont les sommets sont en forme d'enclumes... NASA. Les cumulonimbus sont le siège de forts mouvements convectifs qui homogénéisent la troposphère. 1. La circulation atmosphérique

12. Comment obtenir une température atmosphérique moyenne de 15°C ? Longueurs d'onde constituant le rayonnement solaire température 6 000 K domaine ultraviolet inférieure à 0,3 µm (violet-bleu) domaine visible de 0,3 µm (violet-bleu) à 0,7 µm (rouge) domaine infrarouge au delà de 0,7 µm (rouge) 10% 40% 50% Énergie réfléchie 107 W/m² 235 W/m² 1. La circulation atmosphérique Énergie solaire Albédo = 0.3 Ce qui reste pour chauffer la Terre Effet de serre et bilan radiatif

13. Effet de serre et bilan radiatif 1. La circulation atmosphérique Comment obtenir une température atmosphérique moyenne de 15°C ? Infrarouge Ultraviolets+visible+Infrarouge

14. Effet de serre et bilan radiatif 1. La circulation atmosphérique Comment obtenir une température atmosphérique moyenne de 15°C ?

15. Ifremer. Ifremer. Déséquilibre de l’ apport d ’ énergie solaire Angle d ’ incidence des rayons solaires Gradient de température à la surface du Globe 1. La circulation atmosphérique

16. Transport Transferts assurés par les deux fluides terrestres (courants océaniques et atmosphériques) Pomerol et al. (2005) – É léments de Géologie, Dunod Quel est le moteur de la circulation atmosphérique ? Le déséquilibre thermique à la surface du globe 1. La circulation atmosphérique

17. Pôle Nord Pôle Sud Équateur TROPOSPHERE STRATOSPHERE : plus chaude elle force les mouvements horizontaux troposphériques 8-18 km sol Les cellules de convection atmosphérique Absence de rotation http://www.climateprediction.net www.ifremer.fr/ Quel est le moteur de la circulation atmosphérique ? 1. La circulation atmosphérique  S ystème de convection simple avec des vents soufflant des pôles vers l ’ équateur Aux basses latitudes, l ’ air chaud et humide s ’ élève : zone de basse pression Aux pôles l ’ air refroidit et plus dense créer une zone de haute pression

18. Quel est le moteur de la circulation atmosphérique ? 1. La circulation atmosphérique Les cellules de convection atmosphérique L ’ influence de la rotation de la Terre  La rotation de la Terre se traduit par les Forces de Coriolis (perpendiculaires à l'axe de rotation du référentiel et au vecteur de la vitesse du corps en mouvement) point de vue d'un observateur extérieur (immobile) une bille s'éloigne en ligne droite depuis le centre d'un disque en rotation vers la bordure point de vue d ’ un observateur ayant le même référentiel (en rotation) la bille se déplace le long d'un arc de cercle

19. Force de Coriolis dévie les masses allant vers le sud vers la droite CELLULE s ’ arrête à 30° de latitude ALIZES Force de Coriolis dévie les masses allant vers le nord vers la droite Quel est le moteur de la circulation atmosphérique ? 1. La circulation atmosphérique Les cellules de convection atmosphérique Dévient les masses d ’ air Fragmentent les cellules de convection

20. Campy & Macaire (2003) – Géologie de la surface, Dunod Les cellules de convection atmosphérique Quel est le moteur de la circulation atmosphérique ? 1. La circulation atmosphérique 3 cellules de convection troposphériques Distribution zonale des climats

21. 1. La circulation atmosphérique

22. 1. La circulation atmosphérique

23. Hémisphère Nord 1. La circulation atmosphérique

24. @ isitv.univ-tln.fr /~ lecalve Introduction 2. La circulation océanique Surface de la terre : 71% par des océans Répartition des terres et des mers inégale (antipodale) – à toute bosse correspond un creux Masses terrestres concentrées dans l'hémisphère nord (Hémisphère nord : 61% de mer, hémisphère sud : 81 % de mer) Profondeur moyenne des océans : 3800 m (pellicule très mince ~1/1700 rayon de la Terre ) 300 fois la masse de l ’ atmosphère 1200 fois la capacité de stockage de chaleur de l’atmosphère 97% de l ’ eau disponible sur Terre

25. composition moyenne d'une eau de mer : 35 g de sel par kg d'eau de mer @isitv.univ-tln.fr/~lecalve Est-ce que l ’ océan peut devenir plus salé ?  Température et salinité, paramètres permettant de déterminer la densité  D ensité, paramètre fondamental dans la dynamique des océans L a concentration totale des sels dissous varie en fonction du lieu Mais la proportion des composants les plus importants reste à peu près constante  Prouve un mélange des eaux océaniques  Equilibre entre les sels amenés par les cours d ’ eau et ceux extraits (par ex. évaporites) 2. La circulation océanique

26. La circulation de surface Comment se déplacent les masses d ’ eau ? Rôle des vents Rôle de la force de Coriolis : Gyres anticycloniques et cycloniques Carte des vents Carte des courants de surface  L ’ action des vents se fait sentir jusqu ’ à 800 m de profondeur  Les courants décrivent de grands mouvements tournants appelés " gyres " Rôle des continents 2. La circulation océanique

27. La circulation de surface @educnet.edu CARTOGRAPHIE DES COURANTS MARINS DE SURFACE Comment se déplacent les masses d ’ eau ? 2. La circulation océanique Rôle des vents : Alizés (courants équatoriaux), vents d ’ ouest (courant circumpolaire) Vitesse moyenne courants de surface : quelques cm/s (~2 m/s Gulf Stream au large de la Floride) Cf. TD

28. 2. La circulation océanique

29. Distribution verticale de température – stratification des eaux @isitv.univ-tln.fr/~lecalve Pomerol et al. (2005) – É léments de Géologie, Dunod La circulation profonde Comment se déplacent les masses d ’ eau ? Couche de surface (ou couche de mélange) : 50 à 200 m (températures ~ celles de surface Couche thermocline : 200 à 1000 m (température décroît avec la profondeur) Couche profonde : jusqu'au fond, caractérisée par des températures faibles et homogènes  L ’ océan est stratifié 2. La circulation océanique

30. Pomerol et al. (2005) – É léments de Géologie, Dunod La circulation thermohaline Comment se déplacent les masses d ’ eau ? Circulation océanique globale, profonde, liée à la température et à la salinité des masses d'eau Une molécule d'eau fait le circuit entier en environ 1000 ans Vitesse moyenne courants profonds : ~mm/s 2. La circulation océanique

31. 3. Interactions Atmosphère-Océan : exemples El Niño-La Niña Southern Oscillations

32. Average rain rate in January 2000 measured by the Tropical Rain Measuring Mission satellite. From Tropical Rain Measuring Mission office at the NASA Goddard Space Flight Center. Average rain rate in January 1998, an El Niño year, measured by the Tropical Rain Measuring Mission satellite. Notice that the rain has shifted from the western Pacific and eastern Indian ocean to the central Pacific. 3. Interactions Atmosphère-Océan : exemples

33. 3. Interactions Atmosphère-Océan : exemples

34. 3. Interactions Atmosphère-Océan : exemples

35. 3. Interactions Atmosphère-Océan : exemples

36. 3. Interactions Atmosphère-Océan : exemples

37. 3. Interactions Atmosphère-Océan : exemples

38. 3. Interactions Atmosphère-Océan : exemples

39. 3. Interactions Atmosphère-Océan : exemples

40. Si les vents atteignent au moins 33 m/s, on l'appelle alors : ( 1) Ouragan dans l'Atlantique Nord, l'Océan Pacifique Nord-Est, à l'est de la ligne de changement de date (aux Caraïbes : hu ra kan qui a donné le terme anglais hurricane et le terme français ouragan) ; ( 2) Typhon dans l'Océan Pacifique Nord-Ouest, à l'ouest de la ligne de changement de date (Chine : taï fong , Japon : taï fu ) ; (3) Cyclones 3. Interactions Atmosphère-Océan : exemples

41. Les cyclones se forment à la fin de l'été, lorsque la température de surface des eaux océaniques devient supérieure à 26°C sur une épaisseur minimale de 50 m. Si l'eau est trop froide, le cyclone ne peut pas se former ou, s'il était déjà formé préalablement, il s'affaiblit puis finit par perdre ses caractéristiques cycloniques tropicales. En pénétrant sur terre, son énergie tend rapidement à décroître. Condition thermique. 3. Interactions Atmosphère-Océan : exemples

42. Condition géographique. Etre suffisamment éloigné de l'Équateur (5°, soit 550 km) de façon à ce que la force de Coriolis ne soit pas nulle (Equateur) ou trop faible (de 0 à 5° de latitude). 3. Interactions Atmosphère-Océan : exemples

43. Condition hygrométrique. Une forte humidité est indispensable à la formation des cumulonimbus. La formation d'un cyclone est impossible pour une humidité inférieure à 40 %, fréquente lorsqu'elle est supérieure à 70 % 3. Interactions Atmosphère-Océan : exemples

44. L orsque le cyclone passe au dessus d'une zone continentale, il perd sa source d'humidité et de chaleur et les frottements avec la surface continentale ralentissent sa course . Lorsque les eaux océaniques ne fournissent plus assez de chaleur et d'humidité à l'atmosphère, l'intensité du cyclone diminue. 3. Interactions Atmosphère-Océan : exemples

45. Situation en période normale (janvier 1996) 46 Situation en période El Niño (janvier 1998). El Niño Southern Oscillation. 3. Interactions Atmosphère-Océan : exemples