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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.
I1 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 til 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 til 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:
I1 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 ?
I2 Force de pression : ArchimèdePhysique de base/ I Description des forces s'exerçant dans un fluide
I2 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.
I2 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
I3 Description des forces : viscosité
Physique de base/ I Description des forces s'exerçant dans un fluide
I4 : 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.
II1 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
II2 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.
