Chapitre 2 Dynamique des enveloppes
terrestres
Partie IA - Le
code des diapositives
✭ très important, à savoir avec précision
❀ important pour comprendre
✄ pour approfondir, sinon à couper
Géologie - Partie I - La Terre, planète active
Superposition
5
janvier
❀
BP
HP
HP
BP
BP
HPBP
HP
HP
Les vents vont des hautes vers les basses pressions
Energie solaire reçue par la Terre
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✄
soleilrayonnementsolaire
constantesolaire
= quantité d’énergie reçue par unité de surface
= 1370 W.m-2
soleilTerre rayonnementsolaire
énergie du rayonnement solaire= quantité d’énergie reçue en moyenne sur Terre = 342 W.m-2
Le bilan radiatif de la Terre est nul
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Rayonnement solaire incident = 342 W.m-2❀107 W.m-2 sont directement réfléchis à leur contact avec l’atmosphère
Le pendule de Foucault
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Mise en évidence de la force de déviation due à la rotation de la Terre = force de Coriolis
✄
Montage du pendule de Foucault au Panthéon en 1851
Dessin obtenu par la pointe du poids, dans le sable en une journée
La force de Coriolis dévie les vents
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Dans l’hémisphère Nord, déviation vers la droiteDans l’hémisphère sud, déviation vers la gauche.
❀Grandes cellules de vent au-dessus des océans
La force de Coriolis dévie les vents
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Dans l’hémisphère Nord, déviation vers la droite => l’air contourne la dépression par la droite=> l’air tourne dans le sens contraire des aiguilles d’une montre autour d’une dépression (inverse pour un anticyclone).
❀Anticyclone Dépression
http://planet-terre.ens-lyon.fr/article/force-de-coriolis.xml#manifestation
D
Rappel : chaleur et physiologie animale
sueurair exhalé
EvaporationRayonnement
noyau
périphérie
infra-rouge
Conduction
Convection
Transferts thermiques
airextérieur
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✄
Mêmes mécanismes physiques en géologiemais dans des proportions différentes !
Nombre de Rayleigh et convection
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Cellules de convection dans une casserole
ρ = masse volumique en kg⋅m-3,g = force de gravité en m⋅s-2,α = coefficient d’expansion thermique, sans dimension,ΔT = différence de température entre le haut et le bas de la couche, en kelvin (K),κ = diffusivité thermique en W⋅m-1⋅K-1
η = viscosité en Pa⋅s.d = distance entre le haut et le bas de la couche.
✄
Si Ra > 1 000 alors s’initie une convection
Ra = poussée d’Archimède
dissipation =
κ η ρ g α ΔT d3✭
Exemple dans la troposphère
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❀Ra =
poussée d’Archimède
dissipation =
κ η ρ g α ΔT d3
ρ = 1,2 kg⋅m-3,g = 9,81 m⋅s-2,α = coefficient d’expansion thermique, sans dimension (= 0,02),ΔT = +13-(-56) = 69 °C,κ = 0,026 W⋅m-1⋅K-1
η < 10-3 Pa⋅s.d = 12 km
Ra >>> 1 000Il y a donc convection !
Circulation atmosphérique globale et modèle des vents de surface
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✭
Texte
Bousquet R., Robert C., la dynamique du système Terre, Belin 2013
Limites de plaques
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✭• limites horizontales
zones de convergence : zones de subduction (avec arc insulaire ou cordillière) ou de collision (Himalaya) ; zones de divergence : dorsales océaniques ; zones de coulissage : failles transformantes (San Andrea).
• limites verticales épaisseur de la lithosphère jusqu’à la LVZ => limite thermique = 1 300°Cépaisseur = 100 km en moyenne.
Chaleur et radioactivité
21(D’après Caron J.M. et Coll. « Comprendre et enseigner la planète Terre » Ophrys Ed.)
❀croûte
continentale croûte océanique manteau
U (ppm) 1,6 0,9 0,015
Th (ppm) 5,8 2,7 0,08
K (%) 1,7 - 3,0 0,4 0,1
Chaleur produite en µW.m-3 1,0 à 1,1 0,5 0,02
volume en km3 4,5 . 109 4,0 . 109 920 . 109
Chaleur totale en W 4,5 . 1012 2 . 1012 13,8 . 1012
Les sources de chaleur du globe
22
❀
(Caron J.M. et Coll. « Comprendre et enseigner la planète Terre » Ophrys Ed.)
Évacuation de la chaleur
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❀Rayonnementimpossible car les IR ne traversent que les milieux peu denses et translucides
Conductionla chaleur se déplace de proche en proche sans mouvement de matière.le flux thermique suit la loi de Fourier :
J = - k dTdx
source dechaleur
barre de métal
flux de chaleur selon l’axe x
coefficient de conductivité thermique en W.m-1.K-1
Valeurs de kcuivre : 400 W.m-1.K-1
polystyrène : 0,03 W.m-1.K-1
roches : 2 à 5 W.m-1.K-1
=> conduction faible dans le manteau
La convection «vue» par ombroscopie
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Montage
✄
panaches ascendants
échauffement de la surface échauffement ponctuel
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La convection «vue» par ombroscopie
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✄refroidissement de la surface
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Panaches descendants par refroidissement surfacique
des glaçons refroidissent la surface supérieure
La convection mantellique
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Nombre de Rayleigh dans le manteau = 108 ⇒ il existe une convection
faible conduction⇒ faible perte de chaleur⇒ température ≈ constante
remontée de manteau par convection
forte pression
faible pression
⇒ décompression adiabatique
chaud
chaud
Les modèles de convection : modèle 1
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Sur le fond chaud, le fluide se réchauffe par conduction. Il se dilate alors donc sa densité diminue et il remonte. Sa température reste presque constante (légère diminution à cause de la baisse de pression) => c’est une remontée adiabatique.
❀
A la surface au contact avec une plaque froide, le fluide se refroidit par conduction. Sa densité augmente alors et il s’enfonce. Sa température reste quasiment constante.
Convection entre une plaque froide et une plaque chaude
couche limite CLT
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Les modèles de convection : modèle 2
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Il n’y a pas de réchauffement à la base mais une production de chaleur «dans la masse»: les courants ascendants sont dus au simple remplacement de la matière qui manque en surface par de la matière plus profonde et plus chaude.
A la surface au contact avec une plaque froide, le fluide se refroidit par conduction. Sa densité augmente alors et il s’enfonce. Sa température reste quasiment constante.
Convection avec une plaque froide et un milieu chauffant
couche limite
couche limite
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Géotherme : couche limite supérieure
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Le géotherme ressemble à un profil de cellule de convection
gradient thermique dans le modèle 1
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géotherme terrestre
Les modèles de convection
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Modèle intermédiaire : celui de la Terre❀
Dans ce modèleenfoncement au niveau des zones de subduction : traction des zones de subductionarrivée de matériel chaud au niveau des dorsales : poussée des dorsales
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La plaque africaine et la poussée des dorsales
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poussée
exte
nsio
n
poussée
La poussée des dorsales devrait induire une compression est-ouest de l’Afrique. Or la plaque est en contexte d’extension. La poussée des dorsales serait donc une force faible
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Les Andes, zone de subduction
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Le volcan Chimborazo (Equateur)
cordillière
océan Pacifique
altiplano
Flux thermique dans le Pacifique
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dorsalezone de subductionimage de
tomographie sismique
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Le modèle actuel de la convection
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• importance des subductions qui mettent en mouvement la lithosphère• dorsales impliquées de façon superficielle et passive, comblant l’écartement des plaques• ascension de panaches sous les points chauds
La taille des flèches blanches indique la
vitesse des mouvements
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