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Chapitre I : Quelques propriétés de l ’atmosphèreChapitre I : Quelques propriétés de l ’atmosphère
I-1: Composition de l ’air atmosphériqueI-1: Composition de l ’air atmosphérique
I-2: la température et transmission de la chaleurI-2: la température et transmission de la chaleur
I-3: La pression atmosphériqueI-3: La pression atmosphérique
Annexe 1 : Quelques compléments sur les lois du Annexe 1 : Quelques compléments sur les lois du rayonnement et sur le rayonnement solaire rayonnement et sur le rayonnement solaire
Annexe 2 : Bilan radiatif et effet de serreAnnexe 2 : Bilan radiatif et effet de serre
7878
8989
22
55
6464
l'air atmosphériquel'air atmosphérique
AZOTE 78%AZOTE 78%
OXYGENE 21%OXYGENE 21%GAZ RARES GAZ RARES
Argon: 0.9% Argon: 0.9%
et et
Xénon, Néon, Xénon, Néon, Hélium à l ’état Hélium à l ’état de « traces »de « traces »
oxygène
Azote
Gaz RaresGaz
carbonique
est un est un mélangemélange de divers gaz, de divers gaz, certains en certains en proportions quasiment invariables proportions quasiment invariables ::
Gaz carbonique 0,035%Gaz carbonique 0,035%
SurSur une épaisseur d’environ 80 km,une épaisseur d’environ 80 km,
Cette partie de l’atmosphère terrestre est appelée Cette partie de l’atmosphère terrestre est appelée « homosphère » « homosphère »
et correspond en gros à l’atmosphère « météorologique ».et correspond en gros à l’atmosphère « météorologique ».Au dessus de 80 km, les gaz se séparent et s’étagent par Au dessus de 80 km, les gaz se séparent et s’étagent par ordre de masse volumique décroissante (hétérosphère).ordre de masse volumique décroissante (hétérosphère).
L'air atmosphériqueL'air atmosphérique
• de l ’eau,de l ’eau,
sous ses trois « phases » :sous ses trois « phases » :
VapeuVapeur r d'eaud'eau
GlacGlacee
EauEauliquidliquid
ee
•Des traces Des traces de gaz :de gaz : OO33, , HH22,CH,CH4 4 etc.etc.
• des particules solidesdes particules solides(pollens, suies, (pollens, suies,
poussières, cristaux de poussières, cristaux de sel, etc.),sel, etc.),
contient également contient également un certain nombre d ’autres constituants un certain nombre d ’autres constituants
permanents permanents en proportions en proportions faiblesfaibles, mais , mais très variablestrès variables : :
Ce sont justement ces Ce sont justement ces composés, dits composés, dits
« minoritaires », « minoritaires »,
qui jouent un rôle très qui jouent un rôle très important dans certains important dans certains
phénomènes phénomènes météorologiques :météorologiques :
nuages et précipitations, nuages et précipitations, effet de serre, etc..effet de serre, etc..
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Chapitre I : Quelques propriétés de Chapitre I : Quelques propriétés de l ’atmosphèrel ’atmosphère
I-1: Composition de l ’air atmosphériqueI-1: Composition de l ’air atmosphérique
I-2: la température et transmission de la chaleurI-2: la température et transmission de la chaleur
I-3: La pression atmosphériqueI-3: La pression atmosphérique
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I-2 : la température et transmission de la I-2 : la température et transmission de la chaleurchaleur
I-2-1 : DéfinitionsI-2-1 : Définitions
I-2-2: Les processus mis en jeuI-2-2: Les processus mis en jeu
A- La conductionA- La conduction
B- La convectionB- La convection
C- le rayonnement thermiqueC- le rayonnement thermique
I-2-3: Bilan radiatif-convectif moyenI-2-3: Bilan radiatif-convectif moyende la Terre et de son atmosphèrede la Terre et de son atmosphère
I-2-4: Répartition verticale de la températureI-2-4: Répartition verticale de la températureet atmosphère « standard »et atmosphère « standard »
66
1111
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5959
1313
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2020
La température, exprime la La température, exprime la notion…notion…
de de chaud,chaud,
et de froid.et de froid.
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Elle illustre le niveau d'agitation des Elle illustre le niveau d'agitation des atomes et des molécules. atomes et des molécules.
Plus l'agitation est Plus l'agitation est grande, plus la grande, plus la
température est température est élevée.élevée.
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Si l'agitation cesse,Si l'agitation cesse, la température est minimale :la température est minimale :
C'est le zéro C'est le zéro "absolu""absolu"..
0° K 0° K ((Kelvin)Kelvin)
-273° C -273° C ((Celsius)Celsius)
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Pour élever la température d ’un corps, Pour élever la température d ’un corps, il faut lui fournir il faut lui fournir
une certaine une certaine quantité de chaleurquantité de chaleur, ,
Les Les quantités de chaleurquantités de chaleur s ’expriment donc en s ’expriment donc en Joules.Joules.
c ’est à dire lui apporter de c ’est à dire lui apporter de l ’énergie.l ’énergie.
Les quantités de chaleur Les quantités de chaleur échangées par unité de tempséchangées par unité de temps
s ’expriment ens ’expriment en WattsWatts.. On parle de «On parle de « puissancepuissance ».».
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I-2 : la température et transmission de la chaleurI-2 : la température et transmission de la chaleur
I-2-1 : DéfinitionsI-2-1 : Définitions I-2-2: Les processus mis en jeuI-2-2: Les processus mis en jeu
A- La conductionA- La conductionB- La convection B- La convection C- le rayonnement thermiqueC- le rayonnement thermique
I-2-3: Bilan radiatif-convectif I-2-3: Bilan radiatif-convectif de la Terre et de son atmosphèrede la Terre et de son atmosphère
I-2-4: Répartition verticale de la températureI-2-4: Répartition verticale de la températureet atmosphère « standard »et atmosphère « standard »
La chaleur se propage La chaleur se propage selon trois modes :selon trois modes :
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La La conduction :conduction :
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L'air est mauvais conducteur L'air est mauvais conducteur de la chaleur,de la chaleur,
Il peut même Il peut même être être
considéré considéré comme un comme un
bon isolant.bon isolant.
à l ’image du polystyrène à l ’image du polystyrène expansé, de la laine de verre, expansé, de la laine de verre, de la neige etc.de la neige etc.
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La conduction s'opèrera toutefois La conduction s'opèrera toutefois sur de faibles épaisseurs,sur de faibles épaisseurs,
au contact des au contact des parties chaudes des parties chaudes des
murs et du sol.murs et du sol.
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La convection :La convection :
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La chaleur est La chaleur est véhiculée grâce au véhiculée grâce au déplacement d’un déplacement d’un
fluide porteurfluide porteur(liquide ou gaz).(liquide ou gaz).
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La convection peut être La convection peut être naturelle (radiateurs, cumulus naturelle (radiateurs, cumulus
etc.)…etc.)…… … ou forcée.ou forcée.
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Vent…Vent…
TurbulenceTurbulence……
Brassage mécanique.Brassage mécanique.
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C: C: Le Rayonnement thermiqueLe Rayonnement thermique
C-3:C-3: Interaction du rayonnementInteraction du rayonnement solaire avec l ’atmosphère terrestre et les solssolaire avec l ’atmosphère terrestre et les sols
C-2: C-2: Rayonnement de la Terre et rayonnement Rayonnement de la Terre et rayonnement solairesolaire
avant son entrée dans l ’atmosphère avant son entrée dans l ’atmosphère terrestreterrestre
C-1: C-1: Définitions et propriétésDéfinitions et propriétés
C-5C-5: Quelques applications à des faits : Quelques applications à des faits d ’observation d ’observation courantecourante
C-4: C-4: Interaction du rayonnement terrestre avec Interaction du rayonnement terrestre avec l’atmosphèrel’atmosphère
Le rayonnement Le rayonnement thermique :thermique :
……mais sous forme d’ondes mais sous forme d’ondes électromagnétiques,électromagnétiques,
comme la lumière ou les ondes comme la lumière ou les ondes radioélectriques. radioélectriques.
C’est la C’est la transmissiotransmissio
n de la n de la chaleur…chaleur…
……sans sans support support
matériel…matériel…
Dans le videDans le vide : :
le rayonnement le rayonnement thermique thermique se propage :se propage :
- sans perte d’énergie - sans perte d’énergie
- en ligne droite, - en ligne droite,
- et presque instantanément.- et presque instantanément.
Dans l’air et à la traversée de certains matériaux Dans l’air et à la traversée de certains matériaux transparents transparents : la vitesse de propagation est : la vitesse de propagation est modifiée :modifiée :
•en grandeur en grandeur •et parfois en direction.et parfois en direction.
L’énergie est diminuée par absorption et par diffusion.
Sa vitesse de propagation est de 300 OOO km/s.Sa vitesse de propagation est de 300 OOO km/s.
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il il s’échauffe.s’échauffe.
Quand un corps est exposé à un Quand un corps est exposé à un rayonnement,rayonnement,
Tout corps dont la température est non nulle Tout corps dont la température est non nulle émet un rayonnement thermique.émet un rayonnement thermique.
Selon la Selon la températuretempérature de l'objet qui émet le rayonnement, de l'objet qui émet le rayonnement,
ce dernier peut être nous apparaître :ce dernier peut être nous apparaître :
Dans les deux cas, on parle de Dans les deux cas, on parle de
rayonnement du « corps noir ».rayonnement du « corps noir ».
comme comme très lumineuxtrès lumineux……
6000 K
Température de surface du Soleil :
ou, au contraire, ou, au contraire,
totalement invisibletotalement invisible..
Température moyenne de la surface de la Terre :
288 K288 K
On appelle « corps noir » isotherme, On appelle « corps noir » isotherme, un corps théorique un corps théorique
capable d’absorber intégralement capable d’absorber intégralement tout le rayonnement qu’il reçoit.tout le rayonnement qu’il reçoit.
Le corps noir a atteint sa température Le corps noir a atteint sa température d’équilibre radiatif.d’équilibre radiatif.
Lorsque l’énergie perdue par rayonnement Lorsque l’énergie perdue par rayonnement compense celle qui est reçue, compense celle qui est reçue,
la température se stabilise.la température se stabilise.
Il émet à son tour un rayonnement thermique Il émet à son tour un rayonnement thermique dont l’intensité augmente avec sa température.dont l’intensité augmente avec sa température.
Sa température Sa température s’élève alors progressivement.s’élève alors progressivement.
6000 K
Température de surface du Soleil :
Température moyenne de la surface de la Terre :
288 K288 K
Les propriétés du rayonnement de ce corps noirLes propriétés du rayonnement de ce corps noirsont prévues par la théorie dite « du corps noir ».sont prévues par la théorie dite « du corps noir ».
C’est, en particulier, le cas des rayonnement C’est, en particulier, le cas des rayonnement émis par la Terre et le Soleil.émis par la Terre et le Soleil.
L’intérêt de cette théorie réside dans le fait L’intérêt de cette théorie réside dans le fait qu’elle décrit très correctement qu’elle décrit très correctement
le rayonnement émis par un grand nombre de corps réels.le rayonnement émis par un grand nombre de corps réels.
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L ’énergie émise L ’énergie émise
- par - par unité de tempsunité de temps (puissance), (puissance),
- perpendiculairement à un - perpendiculairement à un élément élément de surface unité de surface unité du corps émetteur,du corps émetteur,
C’est en fait un débit d’énergie,C’est en fait un débit d’énergie,et l’on parle de « et l’on parle de « fluxflux » de rayonnement » de rayonnement
(ou « d’intensité »).(ou « d’intensité »).Il s’exprime en Watts par mIl s’exprime en Watts par m22 ((W.mW.m-2-2).).
est est fonction de la température du fonction de la température du corps.corps.
6000 K
Principales propriétésPrincipales propriétés
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ll
Le rayonnement thermique est composé d’un éventail de Le rayonnement thermique est composé d’un éventail de radiations radiations
de différentesde différentes longueurs d’onde longueurs d’onde 11,, 2 2 ,, 3,3, 44 …etc.etc.,,
((reprrepréésentées ici par des barres coloréessentées ici par des barres colorées).).
C’est un ensemble continu, C’est un ensemble continu,
limité par deux longueur d’onde extrêmes limité par deux longueur d’onde extrêmes DD et et F F ,,
fixées par la température du corps.fixées par la température du corps.
L’intensité transportée par chacune d’elles L’intensité transportée par chacune d’elles ((représentée par la hauteur des barresreprésentée par la hauteur des barres) est ) est fonction : fonction :
•de la température, de la température, •et deet de la longueur d’onde. la longueur d’onde.
FluxFlux
D FLongueur d ’ondesLongueur d ’ondes21 33 44
Chaque radiation transporte Chaque radiation transporte une partie de la puissance émise.une partie de la puissance émise.
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D F
IntensitéIntensité
Longueur d ’ondesLongueur d ’ondes
La courbe reliant les sommets des différents rectangles
est ce que l’on appelle « le spectre d’émission » du corps.
La puissance totale E émise par mLa puissance totale E émise par m22
est représentéeest représentée
par la surface comprise par la surface comprise entre le spectre et l ’axe des abscisses.entre le spectre et l ’axe des abscisses.
Cette puissance totale E (ou pouvoir émissif total à la température T)Cette puissance totale E (ou pouvoir émissif total à la température T)est proportionnelle à Test proportionnelle à T44 , puissance quatrième de la température, , puissance quatrième de la température,
(c’est à dire à… T (c’est à dire à… T x x T T x x T T x x T, T, avec T en degré Kelvin avec T en degré Kelvin ).).
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C: C: Le Rayonnement thermiqueLe Rayonnement thermique
C-3: C-3: Interaction du rayonnementInteraction du rayonnement
solaire avec l ’atmosphère terrestre et les solssolaire avec l ’atmosphère terrestre et les sols
C-2: C-2: Rayonnement de la Terre et rayonnement Rayonnement de la Terre et rayonnement solairesolaire avant son entrée dans l ’atmosphère avant son entrée dans l ’atmosphère terrestreterrestre
C-1: C-1: Définitions et propriétésDéfinitions et propriétés
C-5C-5: Quelques applications à des faits : Quelques applications à des faits d ’observation d ’observation courantecourante
C-4: C-4: Interaction du rayonnement terrestre Interaction du rayonnement terrestre avec avec l’atmosphèrel’atmosphère
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50Flux
P. Queney
Voici, par exemple, les spectres Voici, par exemple, les spectres théoriques théoriques d ’émission d ’émission de la Terre, pour différentes températures du sol.de la Terre, pour différentes températures du sol.
Il s ’agit d ’un rayonnementIl s ’agit d ’un rayonnement de de grande longueur d’ondegrande longueur d’onde , strictement strictement infrarougeinfrarouge et donc et donc invisible pour nous.invisible pour nous.
Le pouvoir émissif total à la température T=213 K (-60 °C)
est représenté par l ’airehachurée.
Ces propriétés sont mises à profit dans le domaine Ces propriétés sont mises à profit dans le domaine de l’imagerie satellitale (images infrarouges).de l’imagerie satellitale (images infrarouges).
Les longueurs d’onde du rayonnement terrestre Les longueurs d’onde du rayonnement terrestre sont comprises entre 2 et 40 micromètres (radiations infrarouge).sont comprises entre 2 et 40 micromètres (radiations infrarouge).
Le maximum d’émission se situe dans la gamme 10-12 micromètres.Le maximum d’émission se situe dans la gamme 10-12 micromètres.
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Par contre, le soleil, Par contre, le soleil, avec sa température de surface de 6000 K, avec sa température de surface de 6000 K,
émet dans une très large gamme de longueur d’ondes.émet dans une très large gamme de longueur d’ondes.
Le spectre solaire s’étend ainsiLe spectre solaire s’étend ainside l ’UV lointain (0,13 micromètre)de l ’UV lointain (0,13 micromètre)
à l ’infrarouge lointain (plus de 40 micromètres), à l ’infrarouge lointain (plus de 40 micromètres), en passant par le rayonnement visible.en passant par le rayonnement visible.
C’est cependant C’est cependant dans l ’UV proche, le visible et le proche dans l ’UV proche, le visible et le proche
infrarouge infrarouge que le rayonnement solaire est le plus intense.que le rayonnement solaire est le plus intense.
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La puissancLa puissance e FF rayonnéerayonnée
par chaquepar chaque mm2 2 de la surface solaire est dede la surface solaire est de : :
7348.107348.1044 W.m W.m-2-2 .
LaLa puissance totale Ppuissance totale P , ,rayonnée par la surface totale S du soleil,rayonnée par la surface totale S du soleil,
dans toutes les directions de l ’espace, est égale à:dans toutes les directions de l ’espace, est égale à:
4,5.104,5.102626 Watts Watts ..
Mais l’intensité du rayonnement Mais l’intensité du rayonnement qui arrive au sommet de l’atmosphère terrestre qui arrive au sommet de l’atmosphère terrestre
est est beaucoup plus faible.beaucoup plus faible.
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En effet, la puissance totale P émise En effet, la puissance totale P émise à un instant donné, par la surface du soleilà un instant donné, par la surface du soleil
se propage pratiquement sans perte dans l ’espace interplanétairese propage pratiquement sans perte dans l ’espace interplanétaire..
Mais elle se répartitMais elle se répartit sur des sphères de rayon sur des sphères de rayon
croissant,croissant,
de sorte que la puissancede sorte que la puissance traversant chaque mètre carré de ces sphèrestraversant chaque mètre carré de ces sphères
est divisée par la surface de la sphère considérée.est divisée par la surface de la sphère considérée.
1 m2
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Le flux qui parvient au sommet de l ’atmosphère terrestre,Le flux qui parvient au sommet de l ’atmosphère terrestre,perpendiculairement à la direction soleil/Terre, perpendiculairement à la direction soleil/Terre,
est appelée « est appelée « constante solaireconstante solaire » CC . .Sa valeur annuelle moyenne est de 1370 W/mSa valeur annuelle moyenne est de 1370 W/m22..
Arrivé au voisinage de l ’orbite terrestre, Arrivé au voisinage de l ’orbite terrestre, à la distance R = 150.000.000 de km du soleil,à la distance R = 150.000.000 de km du soleil,
le flux du rayonnement solairele flux du rayonnement solaire n ’est plusn ’est plus que P/4que P/4RR22 ((W/mW/m22).).
1 m1 m22
Pour en savoir plus…
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A: le spectre solaire réel au sommet de l ’atmosphère (à 600 km d ’altitude)
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Watts par m2et par micron
Visible
Infrarouge
Longueurs d ’onde en micron
Ultraviolet
P. Queney
Voici les spectres réels et théoriques du soleil Voici les spectres réels et théoriques du soleil au sommet de l ’atmosphèreau sommet de l ’atmosphère
De nombreuses radiations De nombreuses radiations émisesémises
par la surface du soleil par la surface du soleil sont,sont,
fort heureusement pour nous, fort heureusement pour nous, absorbéesabsorbées
par l ’atmosphère solaire elle-par l ’atmosphère solaire elle-mêmemême..
Ceci explique l’écart Ceci explique l’écart entre le entre le
spectre réel A spectre réel A et et le spectre théorique B.le spectre théorique B.
CeCe sont, principalement, les sont, principalement, les radiations de courtes longueurs radiations de courtes longueurs
d’ondes (U.V.),d’ondes (U.V.),cellescelles qui qui seraientseraient nocives pour nocives pour
nous.nous.
B: spectre théorique (rayonnement du corps noir à 6000 K, à 150 millions de km du soleil)B: spectre théorique (rayonnement du corps noir à 6000 K, à 150 millions de km du soleil)
BB
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A: le spectre solaire au sommet de l ’atmosphère (à 600 km d ’altitude)
Watts par m2et par micron
Longueurs d ’onde en micron
Répartition de l’énergie transportée Répartition de l’énergie transportée en fonction des principaux domaines de longueur d’ondeen fonction des principaux domaines de longueur d’onde
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42,4 %
Visible
InfrarougeUltraviolet
B: spectre théorique (rayonnement du corps noir à 6000 K,B: spectre théorique (rayonnement du corps noir à 6000 K,
à 150 millions de km du soleil)à 150 millions de km du soleil)
BB
9,2 %
9,2 % sont transportés par les 9,2 % sont transportés par les radiations ultraviolettes (U.V.),radiations ultraviolettes (U.V.),
42,4 % dans le domaine visible,42,4 % dans le domaine visible,
48 %
48 % dans l’infrarouge.48 % dans l’infrarouge.
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A: le spectre solaire au sommet de l ’atmosphère (à 600 km d ’altitude)
Watts par m2et par micron
Longueurs d ’onde en micron
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10-4
99% de l énergie solaire qui nous parvient est transportée 99% de l énergie solaire qui nous parvient est transportée par des radiations de longueurs d ’onde par des radiations de longueurs d ’onde comprises entre 0,25 et 5 micromètrescomprises entre 0,25 et 5 micromètres.
99 %99 %
de la de la puissancepuissance
qui nous parvientqui nous parvientest transportée par est transportée par
les radiationsles radiationscomprises entre comprises entre
0,25 0,25 et 5 et 5 .
Par opposition au rayonnement émis par la Terre, Par opposition au rayonnement émis par la Terre, on désigne souvent on désigne souvent
le rayonnement solaire parvenant au sommet de le rayonnement solaire parvenant au sommet de l’atmosphère, l’atmosphère,
comme un rayonnement comme un rayonnement de de courtes longueurscourtes longueurs d’ondes d’ondes
totalement distinct du rayonnement terrestretotalement distinct du rayonnement terrestre .(alors qu’il y a en fait « chevauchement » de ces
deux rayonnements dans une partie de l’infrarouge).
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C: C: Le Rayonnement thermiqueLe Rayonnement thermique
C-3: C-3: Interaction du rayonnementInteraction du rayonnement
solaire avec l ’atmosphère terrestre et les solssolaire avec l ’atmosphère terrestre et les sols
C-2: C-2: Rayonnement de la Terre et rayonnement Rayonnement de la Terre et rayonnement solairesolaireavant son entrée dans l ’atmosphère terrestreavant son entrée dans l ’atmosphère terrestre
C-1: C-1: Définitions et propriétésDéfinitions et propriétés
C-5:C-5: Quelques applications à des faits Quelques applications à des faits d ’observation couranted ’observation courante
C-4C-4:: Interaction du rayonnement terrestre Interaction du rayonnement terrestre avec l’atmosphèreavec l’atmosphère
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Les effets du Les effets du rayonnement sur les corps rayonnement sur les corps récepteurs sont différents récepteurs sont différents
selon la gamme de selon la gamme de longueurs d ’ondes.longueurs d ’ondes.
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Le rayonnement solaire Le rayonnement solaire traverse les matériaux traverse les matériaux
transparents,transparents,sans les échauffer de sans les échauffer de façon importante.façon importante.
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Ainsi, l'air est relativement transparent au Ainsi, l'air est relativement transparent au rayonnement solaire direct rayonnement solaire direct
qui le traverse sans l'échauffer de qui le traverse sans l'échauffer de façon façon
importanteimportante..
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… … par les matériaux sombres par les matériaux sombres qui alors s’échauffent.qui alors s’échauffent.
Le rayonnement Le rayonnement solaire est fortement solaire est fortement
absorbé…absorbé…
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