MODULE C01 – Climatologie et Hydrologie

- Cours jeudi de 14 à 16h- 3 groupes de TDs (mardi de 13h à 16h et de 15h à 18h et mercredi de 9h à 12h)- Intervenants : R. Barbero, R. Marteau & V. Moron- 2 contrôles continus (questions, commentaires de documents) = 50% de la note- 1 contrôle final (dissertation sur une question générale) = 50% note- Contrôle continu les 6/11 (géographes et optionnaires) et 18/12 (géographes seulement) en amphi I- Les cours projetés en amphithéatre sont disponibles sur le site de l’UFR à la fin de chaque semaine (http://www.univ-provence.fr/gsite/document.php?pagendx=2649&project=geographie)

(cours CO1 2008-2009 © V. Moron, UFR Sciences Géographiques et Aménagement, Université Aix-Marseille I)

Plan général du cours

1. Introduction2. Les températures3. Les précipitations et le cycle de l’eau4. La circulation atmosphérique et océanique5. Les climats 6. Exemples de climat à l’échelle régionale7. Conclusion

1

Le climat : qu’est que c’est ? 1- Klima = inclinaison. Cela fait référence au premier facteur explicatif de la géographie des climats : le rayonnement solaire et notamment son inclinaison (incidence) sur la surface terrestre.

- climat = temps qu’il fait et temps qui passe. Les définitions usuelles contiennent ces deux notions et reposent sur la distribution statistique des conditions atmosphériques instantanées pour une période donnée. Théoriquement, le climat d’un espace repose sur la moyenne au moins trentenaire des conditions atmosphériques définies par les températures, les précipitations, la pression atmosphérique, le vent etc.

- on peut définir les conditions moyennes à l’échelle d’une année et de l’ensemble du globe (par exemple : température moyenne au niveau de la mer = 15°C ; précipitation (= évaporation) moyenne ~ 1000 mm) mais aussi à l’échelle d’un mois, voire d’un jour, à une échelle spatiale plus fine, en tenant compte des variations moyennes au-cours de l’année (par exemple, le climat tropical se définit principalement par l’absence d’hiver thermique et le climat méditerranéen se définit principalement par une période chaude et sèche en été).

- dans le cours C01, l’intérêt se focalise sur (i) l’échelle planétaire et les moyennes annuelles ; (ii) le cycle annuel (c’est-à-dire les variations moyennes au cours de l’année) ; (iii) des exemples zonaux et régionaux.

- la variabilité climatique, c’est-à-dire les variations au fil du temps (au-delà du cycle saisonnier) sont abordées en L3 dans les modules E09 et F02.

ZONE

DOMAINE

REGION

GLOBE

NORD

SUD

OUEST EST

LES ECHELLES SPATIALES EN CLIMATOLOGIE 1

FUSEAU

LES GRANDES ZONES CLIMATIQUES 1

EQUATEUR

30°S

30°N

60°S

60°N SENS LARGEdéfinition climatique

SENS STRICTdéfinition astronomique

Pôle Sud 90°S

Pôle Nord 90°N

23°27’N

23°27’S

66°33’S

66°33’N

Tropique du Cancer

Tropique du Capricorne

Cercle polaire Antarctique

Cercle polaire Arctique

ZONE INTER-TROPICALE

ZONE DES LATITUDES MOYENNES

ZONE DES LATITUDES MOYENNES

ZONE POLAIRE

ZONE POLAIRE

LE SYSTEME CLIMATIQUE 1

~ 150 000 000 km

atmosphère : fluide gazeux

biosphère : monde vivant

océan : fluide liquide

cryosphère : glace marineet continentale

surface continentale et sous-sol

Les éléments du système climatique sont en constante interaction et échangent matière (eau …), chaleur et mouvement (vent …). L’unique source d’énergie de départ provient de l’absorption du rayonnement solaire

1- l’étude d’un système par approche analytique est intrinsèquement imparfaite : l’exemple des champs de températures …

- pourquoi fait-il chaud à un endroit à un moment donné ? Exemple de deux origines possibles parmi d’autres …

- ce raisonnement circulaire illustre l’imbrication des phénomènes à partir d’une source d’énergie unique (rayonnement solaire absorbé)

- parce que le soleil est haut dans le ciel et qu’il n’y a pas de nuages (= facteur radiatif)

- parce que le vent transporte de l’air chaud vers l’endroit précis à ce moment là, sans qu’il y ait nécessairement du soleil (= facteur lié à la circulation de l’air)

- or, la circulation de l’air dépend partiellement du champ de températures …

- dans le premier cas, l’apport de chaleur provient du soleil. Dans le second cas, il provient de la circulation de l’air lui-même (la chaleur est transportée ou advectée d’un endroit à un autre au sein de l’atmosphère)

- le cours est par essence analytique (ne pas oublier de faire la synthèse !) et présente les principales variables climatiques (température, précipitations et cycle de l’eau, vents et pression). Les travaux dirigés détaillent les mécanismes de fonctionnement.

2Les températures

2.1. Définition et signification2.2. Température : moyenne annuelle2.3. Température : cycle annuel2.4. Température et altitude2.5. Synthèse

2.1

- mesure par rapport à une échelle- Celsius (°C) ou centigrade ; 0°C = congélation de l’eau au niveau de la mer et 100°C = ébullition de l’eau au niveau de la mer- Fahrenheit (°F) ; 32°F = 0°C, 100°F = 38°C- Kelvin (K) ; 0K=-273.15°C : zéro absolu (pas de températures Kelvin négatives)

273.15K = 0°C288.15K = 15°C373.15K = 100°C

donc T(K) = 273.15+T(°C) et T(°C)=T(K)-273.15

- zéro absolu ?- limite thermique infranchissable universelle- niveau où tous les atomes sont immobiles à l’échelle microscopique

Température : définition et signification

- les températures reflètent donc aussi une notion énergétique (= énergie cinétique interne ou énergie thermique) et indiquent la quantité de chaleur au sein du système climatique

- en surface (et sous abri), les températures sur terre varient dans l’absolu entre –90°C (Antarctique central) à près de +60°C (déserts tropicaux). En France, les records s’établissent à –33°C (Langres en décembre 1879 ; T. moyenne mensuelle à Paris = -7.9°C) et +44°C (Toulouse en 1923). Cette valeur a sans doute été dépassée dans le Gard (Conqueyrac, +44.1°C) en août 2003

2.1Température : définition et signification

L’énergie totale (Etot) d’une parcelle d’air est donc la somme des 4 formes d’énergie ; Etot = Et + Ep + El + EcLa quantité d’Et est proportionnelle à sa température ; celle d’Ep à son potentiel (~altitude relative) ; celle d’El à la quantité de vapeur d’eau ou d’eau liquide ; celle d’Ec à sa vitesse.

-au départ, un SEUL apport de chaleur = le rayonnement solaire

… cet apport de chaleur est utilisé pour élever la température (énergie thermique) …

… mais aussi élever les parcelles d’air ou d’eau (un air/eau plus chaud est moins dense et tend à s’élever par rapport à l’air/eau plus froid = énergie potentielle)…

… évaporer de l’eau ou faire fondre la glace (= énergie latente), …

… ou déplacer l’air et l’eau (= énergie cinétique).

2.1Température : définition et signification

La chaleur est transportée/échangée par 4 mécanismes physiques distincts (détaillés en travaux dirigés) :

- rayonnement : propagation d’ondes électro-magnétiques à la vitesse de la lumière dans le vide (entre le soleil et le système climatique et au sein de l’atmosphère principalement)

- conduction : transfert de chaleur du + chaud vers le – chaud par contact moléculaire (peu efficace dans le système climatique, mais c’est la seule possibilité dans les solides)

- changement d’état de l’eau : l’eau existe sous 3 états (solide, liquide, gaz) et le changement de l’un à l’autre absorbe ou libère de la chaleur (les changements du solide vers le gazeux absorbe de la chaleur et les changements du gazeux vers le solide en libère) (cf. partie 3.1 et TD)

- convection : transfert de chaleur par mouvement vertical et horizontal (= advection) en relation avec les gradients de densité (de l’air/eau chaud est moins dense que de l’air/eau froid). Ce mécanisme beaucoup plus efficace que la conduction au sein du système climatique n’est possible que dans les fluides (océan et atmosphère) et correspond donc à la circulation verticale/horizontale de l’air et de l’eau

- géographie zonale de part et d’autre d’une région tropicale (largo sensu ; 30°N-30°S) ~ uniformément chaude et baisse vers les pôles - Antarctique (3000-4000 m) plus froid que Arctique (bassin d’eau gelée)- baisse des températures au niveau des grands massifs montagneux (Himalaya par exemple) - différence océan-continent (océan + chaud aux latitudes moyennes N) + certaines différences de façades (resserrement des isothermes sur les bords océaniques occidentaux et écartement sur les bords orientaux)

2.2Température : moyenne annuelle

- température réduite au niveau de la mer (baisse de la température en moyenne de 0.65°C par 100 m) : l’effet du relief est donc gommé- géographie zonale de part et d’autre d’une région tropicale (largo sensu ; 30°N-30°S) ~ uniformément chaude et baisse vers les pôles - Antarctique toujours nettement plus froid que l’Arctique même en l’absence d’effet d’altitude- différence océan-continent (océan + chaud aux latitudes moyennes N) + certaines différences de façades (resserrement des isothermes sur les bords océaniques occidentaux et écartement sur les bords orientaux des latitudes subtropicales à subpolaires)

2.2Température : moyenne annuelle

Moyenne = 15°C environ

2.2- de multiples facteurs conditionnent la géographie des températures, mais le plus important de loin est le rayonnement solaire- le soleil à ~150 millions de km nous envoye de l’énergie sous forme de rayonnement. - la terre intercepte une quantité de rayonnement solaire (appelée la constante solaire = 1367 W/m2 sur une surface plane perpendiculaire au rayons solaires)- une partie seulement du rayonnement solaire (70%) va être absorbée par l’atmosphère et la surface terrestre. Cette fraction participe à l’alimentation énergétique du système climatique.- une partie du rayonnement solaire (30%) est reflétée (nuages, glaces, neiges surtout) et ne sert pas à l’alimentation énergétique du système climatique.

100%

50% absorbés par la surface

20% absorbés par l’atmosphère

20% reflétés par l’atmosphère (nuages …)10% reflétés par la surface (neige, glace, désert clair …)

SURFACE

ATMOSPHERE

Température : moyenne annuelle

2.2Température : moyenne annuelle

Pourquoi la T moyenne est-elle de 15°C environ en surface ?

Apport énergétique fondamental = rayonnement solaire absorbé

+ effet de serre = absorption différentielle du rayonnement par l’atmosphère en fonction de sa longueur d’onde

N’importe quel corps qui absorbe du rayonnement voit sa température augmenter … ce qui induit une émission de rayonnement

La longueur d’onde du rayonnement émis varie en fonction inverse de la température du corps (plus il est chaud, plus le rayonnement est émis sur des longueurs d’ondes courtes (par exemple : le soleil émet des UV, du visible et de l’IR ; la terre (et nous …) uniquement des IR

Des traces gazeuses atmosphériques (H2O, CO2, CH4, N2O etc) absorbent beaucoup mieux le rayonnement IR que le rayonnement visible

Température : moyenne annuelle 2.2

1. Le rayonnement solaire incident est absorbé à 20% par l’atmosphère et 50% par la surface terrestre, ce qui élève leur température, donc suscite une émission de rayonnement…

2. Le rayonnement émis par la surface et l’atmosphère est de l’IR…

3. Le rayonnement IR est fortement absorbé (75-99%) par les gaz à effet de serre (H2O, CO2, CH4, N2O etc) ce qui entraîne un réchauffement de l’atmosphère …

4. … qui émet vers le haut et vers le bas un rayonnement IR supplémentaire ce qui contribue à élever la température de la surface.

L’effet de serre contribue à élever en général la température de la surface et de l’atmosphère et il est maximal là où la concentration atmosphérique en vapeur d’eau est la plus élevée (forêt équatoriale, océans tropicaux etc.). Il est minimal dans l’air sec (déserts tropicaux, Antarctique etc.). De façon générale, un air chaud peut contenir plus de vapeur d’eau qu’un air froid.

Pourquoi la géographie des T moyennes est-elle zonale ?

2.2

- géographie parfaitement zonale et symétrique de part et d’autre de l’équateur- moyenne de la carte = 342 W/m2 (1/4 de la constante solaire)- un seul facteur : la rotondité de la terre qui impose une diminution du RS incident par rapport à la constante solaire car une sphère est 4 fois plus vaste qu’un disque de même rayon et qui induit une baisse de l’équateur vers les pôles par un effet de projection (= rayons de plus en plus obliques)- par la suite ce facteur va se combiner avec d’autres même si cela reste le plus important dans l’explication de la variabilité spatiale des températures moyennes

Température : moyenne annuelle

2.2

A B

À l’équateur

Vers les pôles

À partir de la même quantité d’énergie (Rq=Rp), la surface d’incidence A < B, et donc l’énergie solaire incidente par unités de surface en B sera moindre qu’en A.

Rq

Rp

Température : moyenne annuelle

2.2

- géographie toujours évidemment zonale (moyenne = 210 W/m2) avec décroissance depuis la zone tropicale en direction des pôles mais des perturbations apparaissent ;- minimum absolu non pas nécessairement sur les pôles mais sur les régions subpolaires (pourtour Antarctique)- maximum tropical décalé hors de la bande équatoriale (minimum relatif) sur les continents tropicaux + océans de l’hémisphère sud- en plus de l’effet de projection intervient ici fondamentalement l’effet des nuages qui sont d’importants réflecteurs du rayonnement solaire

Température : moyenne annuelle

2.2

- moyenne de la couverture nuageuse en % du temps- secteurs très nuageux sur les océans subpolaires et à l’équateur et secteurs peu nuageux sur le Sahara par exemple mais aussi sur l’Antarctique- cette géographie est surtout liée à la circulation atmosphérique (détaillée en partie 3 du cours)

Température : moyenne annuelle

2.2

- géographie toujours zonale (moyenne de la carte = 170 W/m2)- rapport de 6 à 1 entre les maxima tropicaux (> 240 W/m2) et les minimas polaires (< 50 W/m2)- en plus des facteurs précédents, la nature de la surface intervient : l’eau absorbe plus de 90% du rayonnement solaire incident, la forêt ~85%, un désert sableux clair ~ 60%, de la neige fraîche < de 10%

Température : moyenne annuelle