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Cours sur l'évolution géologique du climat et la formation des roches sédimentaires
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Le système Atmosphère – Océan
Le système Atmosphère – Océan
1. La circulation atmosphérique
a) Structure et composition de l’atmosphère
b) Comment obtenir une température
atmosphérique moyenne de 15°C ?
c) Quel est le moteur de la circulation
atmosphérique ?
2. La circulation océanique
a) La température de l’océan
b) Est-ce que l’océan peut devenir plus salé ?
c) Comment se déplacent les masses d’eau ?
d) Les variations du niveau marin@Nasa
Objectif : Comprendre comment les circulations atmosphériques Objectif : Comprendre comment les circulations atmosphériques et océaniques contrôlent le climat ? et océaniques contrôlent le climat ?
Quel composant est le plus abondant dans l’atmosphère ?
A. O2B. N2C. CO2D. CO
Composition de l'air Composition de l'air secsec (troposphère)(troposphère)
N2 = 78.1%N2 = 78.1%
O2 = 20.9%O2 = 20.9%
Ar = 0.9%Ar = 0.9%
CO2 = 0.04%CO2 = 0.04% tracestraces
1.
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Structure et composition de l’atmosphère
L ’eau dans l’atmosphère3 états (gaz, solide, liquide)Teneurs variables0,1% en Sibérie5% dans les régions maritimes équatoriales
Troposphère
Stratosphère
Mésosphère
Tropopause
Stratopause
Mésopause
Photographie prise le 07/20/75, durant la mission US-URSS Apollo, à une altitude de 230 km@Nasa
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Structure et composition de l’atmosphère
Ionosphère
Atm
osp
hère
~80 km
T° baisseT° baisse
T° augmente
T° augmente
T° baisse
T° baisse
T° augmenteT° augmente
Raréfaction des
molécules d'air
9/10 masse atmosphère dans les 18 km
-56°C-56°C
-5°C-5°C
0°C0°C
-90°C-90°C
http://www-geoazur.unice.fr/SCTERRE/cours_en_ligne/index.html
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Alt
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de
(km
)Structure et composition de l’atmosphère
1/2 masse atmosphère dans les 5500 m,
Masse atmosphère : 5,13.1018 kg (un millionième masse terrestre) (au delà les molécules peuvent s’échapper vers
l’espace sans que les chocs avec les autres molécules ne les renvoient dans l’atmosphère)
Environ 1000 km (limite sup. atmosphère)
@Nasa
Troposphère
Stratosphère-56°C-56°C
Chaud
Chaud
FroidCouche
stratifiée (non convective)
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Structure et composition de l’atmosphère
Mouvements atmosphériquesMouvements atmosphériques
0°C0°C
Énergie solaire
Rayonnement du sol
15°C15°C
Couche convective
D’où vient l’énergie qui chauffe l’atmosphère ?
A. Du solB. De l’océanC. Des nuagesD. Du soleil
Comment obtenir une température atmosphérique moyenne de 15°C ?
Longueurs d'onde constituant le rayonnement solaire température 6 000 K
domaine ultraviolet
inférieure à 0,3 µm (violet-bleu)
domaine visiblede 0,3 µm (violet-
bleu) à 0,7 µm (rouge)
domaine infrarouge
au delà de 0,7 µm (rouge)
10% 40% 50%
Énergie réfléchie107 W/m²
235 W/m²
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Énergie solaire
Albédo = 0.3
Ce qui reste pour chauffer la Terre
Effet de serre et bilan radiatif
Effet de serre et bilan radiatif
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Comment obtenir une température atmosphérique moyenne de 15°C ?
InfrarougeInfrarouge
Ultraviolets+visible+InfrarougeUltraviolets+visible+Infrarouge
Effet de serre et bilan radiatif
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Comment obtenir une température atmosphérique moyenne de 15°C ?
http://nte-serveur.univ-lyon1.fr/geosciences/ http://veimages.gsfc.nasa.gov/
Énergie externe (Soleil)
Inégalité de l’apport d’énergie solaire
Quel est le moteur de la circulation atmosphérique ?
Le déséquilibre thermique à la surface du globe
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• Angle d’incidence des rayons solaires
• Gradient de température à la surface du Globe
Transport
Transferts assurés par les deux fluides terrestres (courants océaniques et atmosphériques)
Pomerol et al. (2005) – Éléments de Géologie, Dunod
Quel est le moteur de la circulation atmosphérique ?
Le déséquilibre thermique à la surface du globe
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Quelle est l’origine des mouvements atmosphériques ?
A. la chaleur du solB. l’incidence des
rayons solairesC. la circulation
océaniquesD. la rotation de la
TerreE. les marées lunaires
Pôle NordPôle Sud Équateur
TROPOSPHERETROPOSPHERE
STRATOSPHERE : STRATOSPHERE : plus chaude elle force les mouvements horizontaux troposphériquesplus chaude elle force les mouvements horizontaux troposphériques
8-1
8 k
m
sol
Les cellules de convection atmosphérique Absence
de rotation
http://www.climateprediction.net
www.ifremer.fr/
Quel est le moteur de la circulation atmosphérique ?
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Système de convection simple avec des vents soufflant des pôles vers l’équateur
• Aux basses latitudes, l’air chaud et humide s’élève : zone de basse pression
• Aux pôles l’air refroidit et plus dense créer une zone de haute pression
Quel est le moteur de la circulation atmosphérique ?
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Les cellules de convection atmosphérique
• L’influence de la rotation de la Terre
La rotation de la Terre se traduit par les Forces de Coriolis (perpendiculaires à l'axe de rotation du référentiel et au vecteur de la vitesse du corps en mouvement)
point de vue d'un observateur extérieur (immobile)
une bille s'éloigne en ligne droite depuis le centre d'un disque en rotation vers la bordure
point de vue d’un observateur ayant le même référentiel (en rotation)
la bille se déplace le long d'un arc de cercle
Force de Coriolis dévie les masses allant vers le sud vers la droite
CELLULE CELLULE ss’’arrête à arrête à
30° de 30° de latitudelatitude
ALIZESALIZES
Force de Coriolis dévie les masses allant vers le nord vers la droite
Quel est le moteur de la circulation atmosphérique ?
1.
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Les cellules de convection atmosphérique
• Dévient les masses d’air
• Fragmentent les cellules de convection
Campy & Macaire (2003) – Géologie de la surface, Dunod
Les cellules de convection atmosphérique
Quel est le moteur de la circulation atmosphérique ?1.
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3 cellules de convection troposphériques Distribution zonale des climats
Hémisphère Nord
?
C’est
A. Un cycloneB. Un anticyclone
Image satellite dans l'infrarouge thermique du 01 juillet 1998, 15h00
Capacité calorifique (énergie nécessaire pour chauffer 1kg dematière de 1°C)
Quel est le moteur de la circulation atmosphérique ?1.
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Cp(Air) = 1003,5 J kg-1 K-1
M(Atmosphère) = 5.1018 kg
Cp(Eau) = 4181 J kg-1 K-1
M(Océan) = 1,4.1021 kg
Il faut 1200 fois plus dIl faut 1200 fois plus d’’énergie pour chauffer de 1°C lénergie pour chauffer de 1°C l’’océan que locéan que l’’atmosphèreatmosphère
E = CpM T
Océans = 1200 fois la capacité de stockage de chaleur de lOcéans = 1200 fois la capacité de stockage de chaleur de l’’atmosphèreatmosphère
@isitv.univ-tln.fr/~lecalve
Introduction 2.
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océan
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• Surface de la terre : 71% par des océans
• Répartition des terres et des mers inégale (antipodale) – à toute bosse correspond un creux
• Masses terrestres concentrées dans l'hémisphère nord (Hémisphère nord : 61% de mer, hémisphère sud : 81 % de mer)
• Profondeur moyenne des océans : 3800 m (pellicule très mince ~1/1700 rayon de la Terre)
• 300 fois la masse de l’atmosphère
• 97% de l’eau disponible sur Terre
composition moyenne d'une eau de mer : 35 g de sel par kg d'eau de mer
@isitv.univ-tln.fr/~lecalve
Est-ce que l’océan peut devenir plus salé ?
2.
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Température et salinité, paramètres permettant de déterminer la densité
Densité, paramètre fondamental dans la dynamique des océans
• La concentration totale des sels dissous varie en fonction du lieu
• Mais la proportion des composants les plus importants reste à peu près constante
Prouve un mélange des eaux océaniques
Equilibre entre les sels amenés par les cours d’eau et ceux extraits (par ex. évaporites)
La circulation de surface
Comment se déplacent les masses d’eau ?2.
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• Rôle des vents
• Rôle de la force de Coriolis : Gyres anticycloniques et cycloniques
Carte des vents Carte des courants de surface
L’action des vents se fait sentir jusqu’à 800 m de profondeur
Les courants décrivent de grands mouvements tournants appelés " gyres "
• Rôle des continents
La circulation de surface
@educnet.edu
CARTOGRAPHIE DES COURANTS MARINS DE SURFACE
Comment se déplacent les masses d’eau ?2.
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• Rôle des vents : Alizés (courants équatoriaux), vents d’ouest (courant circumpolaire)
Vitesse moyenne courants de surface : quelques cm/s (~2 m/s Gulf Stream au large de la Floride)
Cf. TD
Distribution verticale de température – stratification des eaux
@isitv.univ-tln.fr/~lecalve
Pomerol et al. (2005) – Éléments de Géologie, Dunod
La circulation profonde
Comment se déplacent les masses d’eau ?2.
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Couche de surface (ou couche de mélange) : 50 à 200 m (températures ~ celles de surface
Couche thermocline : 200 à 1000 m (température décroît avec la profondeur)
Couche profonde : jusqu'au fond, caractérisée par des températures faibles et homogènes
L’océan est stratifié
Pomerol et al. (2005) – Éléments de Géologie, Dunod
La circulation thermohaline
Comment se déplacent les masses d’eau ?2.
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Circulation océanique globale, profonde, liée à la température et à la salinité des masses d'eau
Une molécule d'eau fait le circuit entier en environ 1000 ans
Vitesse moyenne courants profonds : ~mm/s
Le changement climatique
A. Vous y croyezB. Vous n’y croyez pas
Pour vous, si changement climatique il y a, il est d’origine
A. HumaineB. GéologiqueC. Solaire
Ce qu’il faut retenir… • Les moteurs des circulations atmosphériques et océaniques• Structure et compositions des enveloppes atmosphériques et océaniques• La dynamiques des océans (circulations de surface et thermohaline) et de
l’atmosphère (cellules de convection, systèmes de basse et haute pression,
zonation climatique)• Les Forces de Coriolis (principes et conséquences)• Notions d’albédo, d’effet de serre et bilan radiatif• Variations du niveau des mers (moteurs, vitesses, amplitudes)
www.jpl.nasa.gov
et demain ?
Les variations du niveau marin
Topex-Poseidon Jason
• 12 dernières années : niveau moyen global de la mer s’est élevé de près de 3 mm par an
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