Dynamique de l'atmosphère et des océans

Laurent Stehly

Plan du cours

Physique de base

Dynamique de l'atmosphère à l'heure actuelle

Origine et évolution de l'atmosphère

Dynamique des océans

Evolution de l'atmosphère et des océans à l'échelle des temps géologiques

Physique de baseI- Force s'éxerçant dans un fluide

Une particule fluide accélère que si des forces s'éxercent sur elle:

FEM = force électromagnétique

Noyau : FEM et Coriolis dominent

Manteau : FEM et coriolis sont nuls

Oceans , atmosphère : Archimède et Coriolis sont les

forces les + importantes.

I-1 Descrption des forces : pression

Dans un fluide, les particules se déplacent aléatoirement:

La pression est la force résultante des collisions avec les particules fluides s'éxerçant sur une surface

Elle dépend de la densité et de l'énergie cinétique des particules (ie la température)

Physique de base/ I Description des forces s'exerçant dans un fluide

Que se passe t-il si la pression varie dans l'espace ?

Si il y'a un gradient de pression, un volume subirait une pression plus importante sur certaines faces que sur d'autres

=> Cela induit une force qui mettra le volume en mouvement

=> Un gradient de pression induit une force :

Force de pression = gradient (P)

Fz= dP/dz

Que se passe t-il si la pression varie dans l'espace ?

Interprétation en terme d'énergie

Interprétation en terme d'énergie

Dans les zones ou la pression est plus élevé, l'énergie interne d'un élément de volume est plus élevé (+de particules et/ou température plus élevé)

=> Les forces de pression induisent des mouvement des zones ou l'énergie est la plus élevé vers les zones ou l'énergie est la plus faible

=> Ce mécanisme homogénéise l'énergie d'un système

Fluide au repos : équilibre entre force de gravité et de pression

Si la pression est la meme partout, la force résultante est nulle.

En revanche si il y'a une variation de pression, il en résulte une force

A l'équilibre les forces de pressions est de gravité s'équilibre:

I-1 Descrption des forces : pression

Physique de base/ I Description des forces s'exerçant dans un fluide

On suppose que le fluide est au repos

On remplace une particule fluide par une particule plus dense. Quelle est la force qui va s'appliquer sur elle ?

I-2 Force de pression : ArchimèdePhysique de base/ I Description des forces s'exerçant dans un fluide

I-2 Force de pression : Archimède

On imagine que le fluide est au repos :

Sur l'axe vertical on a donc :

Remplaçons la particule par une particule de densité un peu différente. La force qu'elle subie s'écrit :

Physique de base/ I Description des forces s'exerçant dans un fluide

=> une variation de densité par rapport à l'état au repos engendre une force : la pousée d'Archimède

La densité dépend de : La température et la salinité dans l'océan. De la température et de la composition chimique

dans l'atmosphère, le manteau et le noyau terrestre.

I-2 Force de pression : Archimède

Physique de base/ I Description des forces s'exerçant dans un fluide

Une fois que le fluide se met en mouvement les forces de frottement tendent à empecher le mouvement.

Les forces de frottement sont propotionnelles à la viscosité du fluide.

Le nombre de Rayleigh est le rapport entre la poussé d'Archimède et les forces empechant la convection

I-3 Description des forces : viscosité

Physique de base/ I Description des forces s'exerçant dans un fluide

I-4 : Force de Coriolis

La force de coriolis n'existe que dans les référentielles non galiléen en rotation.

Elle ne peut pas mettre un fluide en mouvement (i.e elle ne travaille pas).

En revanche elle influence les trajectoires des particules fluides.

Son intensité est proportionelle à la vitesse du fluide

Physique de base/ I Description des forces s'exerçant dans un fluide

Physique de base/ I Description des forces s'exerçant dans un fluide

Dans un reférentiel galiléen, en l'absence de force, le vecteur vitesse ne change pas la trajectoire est une droite

Vu depuis un référentiel en rotation la trajectoire est courbe:

Physique de base/ I Description des forces s'exerçant dans un fluide

La force de Coriolis courbe les trajectoires

Physique de base/ I Description des forces s'exerçant dans un fluide

Résumé :

Composition chimique + la température => densité

Densité + température => pression

Force de pression, coriolis, viscosité => écoulement

Ecoulement modifie à son tour la température, et la pression.

=> Les forces en présence, apport de chaleur, composition chimique controle la dynamique des enveloppes terrestres.

II-1 La convection dans les différentes enveloppes : noyau

Différence température et de chimie due à la cristallisation du noyau interne => poussée d'Archimède => convection vigoureuse

La force de coriolis structure l'écoulement en spirale

Physique de base/ II La convection dans les différentes enveloppes

Désintégration d'éléments radioactifs + chauffage du noyau + subduction => variation température => poussé d'Archimède => convection

En revanche les mouvements sont lents => pas de force de coriolis

II-2 Convection dans le manteau

Physique de base/ II La convection dans les différentes enveloppes

Atmosphère

Température dépend : énergie solaire, gaz effet de serre, ozone, évaporation des océans

La densité dépend de : vapeur d'eau (nuage), température Les forces dominantes sont les forces de pression et Coriolis.