physique et atmosphère

Physique et atmosphère

Jean-Pierre Blanchet

Peter Zwack Patrick Grenier Eva Monteiro

Physique et atmosphère

Introduction Pourquoi étudier l’atmosphère?

L’agriculture

La sécurité

Les loisirs

Les décisions politiques et

économiques

Changements climatiques?

Pluies acides?

Disparition de l ’ozone stratosphérique?

soleil

lithosphère

cryosphère

hydrosphère

atmosphère

nuages

biosphère

Météorologie et Climatologiesciences multidisciplinaires UQÀMUQÀM

Systèmes météorologiques

Nuages

Comment se forment les nuages?

Les types de nuages?

Effets sur le climat

Types de précipitation

Comment se produit la précipitation?

Tempêtes et oragesEnclume

Tourelle

Tornades

Keller

Ouragans

Dora

Brise de mer

Prévisions atmosphériques

Comment se font les prévisions?

Pourquoi, parfois, les prévisions sont « mauvaises» ?

Pourquoi on parle de prévision probable ?

Le climat planétaire

Changements climatiques ?

Effet de serre

Phénomènes optiques

Le temps et le climat

Le temps : état de l ’atmosphère à un moment et à point donnée

Le climat : Information statistique, que nous aide à décrire une région ou une place.

Le mouvement de la Terre combiné à l’énergie solaire produit une infinité de comportements de l’atmosphère...

Le temps et le climat...

… sont définis par:

La vitesse et direction du vent

La température de l ’air

L ’humidité de l ’air

Le type et quantité de nuages

Le type et quantité de précipitation

La pression exercée par l ’air

Le temps (t) ou le climat (C) ?

À Montréal, les étés sont chauds et humides

Présentement le ciel est complètement couvert

La température minimale observée le dernier hivera été de -24 C

Le mois de janvier est notre mois le plus froid del ’année

La température moyenne du mois de janvier à Montréalest de ...

t

C

C

C

t

Épaisseur relative de l’atmosphère

99% de l ’atmosphère est contenue dans les premiers30 Km au dessus de la surface de la planète

Le rayon de la Terre est ... 6400 Km

… alors la profondeur de l ’atmosphère est de 0.5 % du rayon de la Terre.

Quelle est l ’épaisseur de l ’atmosphèredans un modèle de la planète ou le rayon de la Terreest de 1 mètre ?

Pourquoi la Terre ne perd pas son atmosphère comme la Lune la perdu ?

Les débuts de notre univers

Le Big Bang

Galaxies vues par letéléscope Hubble

Origine de l ’atmosphère

Une histoire vielle de 5 milliards d'années ...

Naissance de la Terre: atmosphère primitive:hydrogène + hélium

Échappement des gaz légers: Dégazage des rochesvapeur d ’eau, dioxyde de carbone et nitrogène

Origine de l ’atmosphère

Atmosphère secondaire

CO2H2O

N2

SO2

H2

Tableau 1-1

Gaz PourcentageVapeur d’eau (H2O) 79,3Dioxyde de carbone (CO2) 11.6Dioxyde de soufre(SO2) 6,5Nitrogène (N2) 1,3Hydrogène (H2) 0,9Autres 0,7

Source: Anthes 1992

Pourcentage par volume des gaz émis par les volcans d ’Hawaii

Origine de l ’atmosphère

Apparition de la Vie

Spécificité de la Terre: l’eau liquide!

Dissolution de CO2 dans l ’eauAbsorption de UV solaires

Photosynthèse: CO2 + H2O + lumière = CH2O + O2

Respiration: CH2O + O2 = CO2 + H2O + énergie

Atmosphère actuelle

Aujourd’hui…

Apparition de l ’être humain

Atmosphère actuelle

78% N2 21% O20.9 % A

Autres gaz: moins de 1%

Composition actuelle de l ’atmosphère

Tableau 1-2

Composition volumétrique de l'air.Nom du gaz Pourcentage présentAzote (N2) 78 %Oxygène (O2) 21 %Argon (A) 0,93 %Vapeur d'eau (H2O) 0 - 4 %Dioxyde de carbone (CO2) 0,033 %Néon (Ne) 0,0018 %Krypton (Kr) 0,000114 %Hydrogène (H) 0,00005 %Oxyde d'azote (N2O) 0,00005 %Xénon (Xe) 0,0000087 %Ozone (O3) 0 - 0,000001 %

Atmosphère future ...

Passage du Soleil à la phase Géante rouge

Dans 4 à 5 milliards d ’années ...

…mort de la Terre et de son atmosphère

Origine de l ’atmosphère:

résumé

L ’atmosphère primitive disparaît de la planète

Atmosphère de type volcaniqueFormation des océansDissolution du CO2, SO2 et

disparition de H2

Apparition de la vieFormation de l ’atmosphère actuelle

Composition de l ’atmosphère actuelle

Essentiellement variable dans le temps et dans l ’espace.

Définition de l ’air sec

Importance des autres composantes

Composition actuelle de l’atmosphère (gas permanents)

Nitrogène N2 78,00 %Oxygène O2 21,00 %Argon Ar 0,93 %

Composition actuelle (composantes variables)

Vapeur d’eau H2O 0 - 4Dioxyde de carbone CO2 0,036Méthane CH4 0,00017Monoxyde d ’azote N2O 0,00003Ozone O3 0,000004Particules (aérosols) 0,000001

Composition actuelle de l’atmosphère

Tableau 1-2

Composition volumétrique de l'air.Nom du gaz Pourcentage présentAzote (N2) 78 %Oxygène (O2) 21 %Argon (A) 0,93 %Vapeur d'eau (H2O) 0 - 4 %Dioxyde de carbone (CO2) 0,033 %Néon (Ne) 0,0018 %Krypton (Kr) 0,000114 %Hydrogène (H) 0,00005 %Oxyde d'azote (N2O) 0,00005 %Xénon (Xe) 0,0000087 %Ozone (O3) 0 - 0,000001 %

Physique et atmosphèreÉtude scientifique de l’atmosphère

Pour pouvoir interpréter les phénomènes atmosphériques

il faut connaître les

«lois de la nature » régissant le comportement de l ’atmosphère

La Physique appliquée à l ’atmosphère

Choix du modèle du système atmosphérique

L ’air sec: mélange de gaz parfaits

Milieu continu

L ’air humide: l ’air sec + la vapeur d ’eau

L ’atmosphère est une machine thermique:

Les mouvements atmosphériques sont possibles par la conversion de l ’énergie solaire en d ’autres formes d ’énergie

Les « lois de la nature »

Conservation de la quantité de mouvement

Conservation de la masse

Conservation de l’énergie

Branches de la Physique utilisées dans l ’étude des phénomènes atmosphériques

La dynamique

La thermodynamique

L’électromagnétisme

La dynamique

Les trois lois de Newton

Loi de l’inertie Conservation de la quantité de

mouvement Loi de l’action et réaction

Dynamique

Référentiel inertiel

Force gravitationnelle

Force centrifuge

2

GMm rF

r r

Dynamique

Accélération de la gravité

Gravité apparente

gFgm

*0 centrifugeg g c

Thermodynamique

La loi des gaz parfaits

Définition de pression d ’un gaz Définition thermodynamique de

température Définition de mole

*pV nR T

Théorie cinétique des gaz

Postulats: Un gaz idéal est formé de particules

infinitésimales qui n’interagissent autrement que par collisionLeur volume est négligeableLes particules sont en constant mouvementLes particules n ’exercent aucune force

mutuellementL ’énergie cinétique moyenne d ’un groupe

de particules de gaz proportionnelle à la température exprimée en kelvins

Équation d ’état pour l’air atmosphérique

Soit p la pression, d la densité et Td la température de l ’air sec. À l ’équilibre les trois variables thermodynamiques sont reliées par l ’équation.

d dp R T

Structure verticale de l’atmosphère terrestre

Densité

Pression

Température

Selon vous comment varie la température avec la hauteur?

Profil vertical de la température

Structure verticale de l’atmosphère terrestre

La troposphèreLa stratosphèreLa mésosphèrela thermosphèrel’exosphère

La troposphère

Le sommet de la troposphère s ’appelle tropopause etsépare la troposphère de la stratosphère.

C ’est dans la troposphère que tous les le phénomènesatmosphériques sont observés

Couche essentiellement instable

Le taux de décroissement de la température est, en moyenne, de 6.5 °C / km (gradient vertical de la température).

Le courant jet se situe au sommet de cette couche

Cette couche est plus épaisse l ’été que l ’hiver

La hauteur de la tropopause est proportionnelle à la température moyenne de la troposphère

La troposphère (taux de refroidissement vertical)

Le taux de refroidissement vertical moyen dans la troposphère est de 6.5 C/km. Si la température à la base du Mt Éverest est de 30 C, quelle est la température au sommet de l’Éverest(9 km au dessus de la base) ?

La troposphèreExercice : trouver la troposphère ...

La troposphèreExercice : trouver la troposphère ...

La stratosphère

S ’étend de la tropopause jusqu ’à plus au moins 50 km

Contient la couche d ’ozone (maximum de concentration entre 20 et 30 km)

La température augmente avec la hauteur

Pourquoi la température augmente avecla hauteur dans la stratosphère???

La mésosphère

La température diminue avec l ’altitude???

La thermosphère

La température augmente avec l ’altitude???

Question

Si l ’ozone n ’existait pas dans l ’atmosphèrequelle serait, selon vous, le profil de températurede 0 à 80 km

Le profil selon la composition

Profil vertical de la densité

Quelle est la définition de la densité ?

Quelle est la densité d ’étudiants dans la salle ?

Profil vertical de la densité

La densité de l ’air décroît avec l ’altitude

Molécules d’air

Densité de l’air

pression d ’air

basse haute

Pourquoi il y a plus demolécules proche dela surface qu ’en hauteur?

Profil vertical de la pression

Quelle est la définition de la pression ?

Quelle est la pressionque j ’exerce sur le plancheren restant debout sur mes deux pieds?

Dimensions de mon pied: 22 x 9 cmmon poids: 50 kg

Profil vertical de la pression

1 m1 mNiveau de la mer

Sommet de l’atmosphère

Unités de pression

1 Pa (pascal) = N/m2

1 mb = 100 Pa = 1 hPa

Profil vertical de la pression

La colonne d ’air, de base 1 m2, au dessusdu niveau de la mer a un poidsapproximatif de 10 5 N. Quelleest la masse d’air correspondante ?

La masse de la colonne d ’air au dessus du niveaude 500 mb

Quelle est la masse d ’air, par m2, comprise entre lesniveaux de pression de 700 hPa et 500 hPa

Profil vertical de la pression

basse haute

pression d ’air

Molécules d’air

Densité de l’air

Références

http://apollo.lsc.vsc.edu/classes/met130/notes/

http://www.educnet.education.fr/obter/appliped/circula/theme/accueil.htm